Summary
Denne protokollen demonstrerer muligheten til å bruke reaktiv Inkjet-utskrift til å skrive ut selv aktive biokompatible og miljøvennlige mikro-Stirrers for bruk i biomedisinsk og miljø applikasjoner.
Abstract
I denne studien rapporteres en protokoll for bruk av reaktiv Inkjet-utskrift for å dikte opp enzymatisk, silke svømmere med godt definerte figurer. De resulterende enhetene er et eksempel på selvgående objekter i stand til å generere bevegelse uten ekstern aktivering og har potensielle anvendelser i medisin og miljø vitenskaper for en rekke formål som spenner fra mikro-stirring, målrettet terapeutisk levering, til utbedring av vann (f.eks. rengjøring av oljesøl). Denne metoden benytter reaktiv blekkskriver å generere veldefinerte småskala solid silke strukturer ved å konvertere vannløselige fornyet silke fibroin (silke I) til uløselig silke fibroin (silke II). Disse strukturene er også selektivt dopet i bestemte regioner med enzymet catalase for å produsere bevegelse via boble generasjon og avløsning. Antall lag som skrives ut, bestemmer den tredimensjonale (3D) strukturen på enheten, og så her rapporteres effekten av denne parameteren på den propulsive baner. Resultatene viser muligheten til å justere bevegelsen ved å variere dimensjonene på de trykte strukturene.
Introduction
Kunstige selvgående mikro-Stirrers (SPMSs) ansette en rekke fremdrift mekanismer for å produsere bevegelse, som kan kategoriseres som enten kjemisk fremdrift1,2,3,4, 5 andre priser , 6 eller fysisk ekstern fremdrift. En felles kjemiske Fremdrifts mekanisme er å bruke katalysator eller enzymatisk aktivitet for å enten generere bevegelse produsere graderinger eller generere bobler som formidler momentum til objektet når de løsner. Tidligere studier har undersøkt flere katalysatorer og kjemiske SPMSs, inkludert polystyren perler med platina nanopartikler og krom adsorberes på overflaten1, gull-platina bimetall Janus nano-stenger2, magnesium Janus mikro-Stirrers3, Micro-Stirrers laget av en magnesium kjerne og titandioksid skall med innebygd gull nanopartikler4, og silke fibroin Janus mikro-raketter med catalase innebygd i stillaset5. Fysiske Fremdrifts mekanismer inkluderer magnetisk7,8, optisk9og ultralyds10 fremdriftssystemer, som alle styres av en ekstern fysisk kilde. Avhengig av tiltenkt bruksområde kan SPMS-størrelsen variere fra noen få nanometer til flere hundre mikrometer. Eksempler på potensielle anvendelser av disse ovennevnte og andre SPMSs er medisinsk diagnostisering av sykdommer med Lab-on-a-chip enheter11, lasting og in vivo målrettet levering av legemiddel12, miljø Utbedring3 (f.eks. rengjøring av oljesøl) og fotokatalytiske degradering av kjemiske og biologiske stridsmidler, slik som Bacillus anthracis og nerve agenter4. Målprogrammet er avhengig, det er derfor ønskelig å kunne produsere SPMSs som gjennomgår spesifikke baner, for eksempel lange lineære baner for transport utfordringer eller rotasjons baner for mikro blandings applikasjoner. Fokuset her er på roterende bevegelse for røring applikasjoner.
Det er ingen enkelt etablert metode for å dikte SPMSs, men for medisinske og miljømessige applikasjoner, er det viktig å bruke et materiale som er biokompatible, biologisk nedbrytbart, miljøvennlig, lett tilgjengelig, billig og gir enkel fabrikasjon av komplekse SPMSs uten behov for sofistikert utstyr. Generert silke fibroin (RSF) er et slikt materiale som oppfyller alle disse parametrene sammen med blir også godkjent av Food and Drug Administration (FDA).
Silk er et generisk begrep som brukes for flere naturlig forekommende fiber proteiner, hvorav den mest kjente er en laget av Larvene av silke møll, Bombyx Mori, før dens forpupping. Disse kokonger er laget av fibroin, en fiber protein, stakk sammen med et annet protein som kalles sericin. Silk fibroin (SF) har blitt funnet å ha gode mekaniske egenskaper, biokompatibilitet, og biologisk nedbrytbarhet13, som gjør det til et ideelt valg for fabrikere SPMSS. SF finnes i tre polymorfe former, nemlig silke I, II og III. Silk I er en vannløselig metastabile form som inneholder hovedsakelig helixes og tilfeldige spoler; silke II er en vann-uløselig form som inneholder hovedsakelig antiparallel β ark med krystallisert silke; og silke III er en tredelt polyglycine II-vinkel som finnes i vann-luft-grensesnittet til silke løsningen. I likhet med andre fiber proteiner, har SF repeterende enheter av aminosyre sekvenser. Den naturlig forekommende SF av en kokong består av tre hoved hexapeptid domener av slike gjentagende enheter (GAGAGX), mens X kan være A, S eller Y. Gjennom hydrogen binding, (ga) n motiver fra antiparallel β Sheet strukturer ytterligere stable gjennom Van der Waals styrker og form hydrofobe nano crystallizations14,15.
Biokompatibilitet kan forbedres ytterligere ved å søke å drive fremdrift ved hjelp av naturlig forekommende enzymer for å generere en konsentrasjon gradient eller gassbobler i et flytende medium (drivstoff). Følgelig, i denne studien, enzymet catalase brukes som "motoren" for å generere fremdrift med hydrogen peroxide brukes som vandig brensel medium. Catalase er et enzym som finnes i nesten alle levende organismer. Det katalyserer nedbryting av hydrogen peroxide (H2O2) i vann og oksygen16. Utgivelsen av oksygen bobler fra enzymet nettsteder av SPMSs genererer en kraft på objektet forårsaker det å gjennomgå fremdrift i motsatt retning av boblen utgivelsen5 (figur 1).
I en katalytisk drevet SPMS, en annen plassering av katalysatoren resulterer i ulik Fremdrifts atferd og baner1. I jakten på å generere effektive mikro-Stirrers, er det derfor nødvendig å dikte Stirrers med veldefinerte geometriske former og motor posisjoner og sammenligne de ulike kreftene til motoren. Her, for å lette disse undersøkelsene, er det beskrevet hvordan fornyet silke fibroin SPMSs er fabrikkert på millimeter skala ved hjelp av reaktiv Inkjet Printing (RIJ) teknologi. Inkjet-utskrift er en ikke-kontaktmetode for deponering av materialer. Dette gjør fabrikasjon av små komplekse strukturer med høy presisjon i å generere ulike former grei. RIJ skjer når to eller flere ulike reagerer materialer er avsatt og reagerer på underlaget for å produsere ønsket produkt materiale. Derfor, SPMSs trykt med en katalysatorer stirrer området utenfor sentrum gir objektet asymmetri som resulterer i rotasjonsbevegelse. Denne tilnærmingen gjør det også enkelt å produsere mikro-Stirrers i en rekke former og design konfigurasjoner definert av dataassistert design (CAD), og dermed gir enklere og mer nøyaktig kontrollerbarhet på ønsket bevegelse i praktisk Programmer. Til slutt, evne til utskrift enheter med varierende tykkelse som viser ulike Fremdrifts egenskaper er demonstrert.
Denne studien gir en blåkopi for produksjon SPMSs med RSF på mikrometer til millimeter skala. Bruken av RIJ-teknologi for produksjon av RSF-Stirrers åpner døren for den svært allsidige produksjonen av mikro-Stirrers fra materialer som in situ produsert stillaser eller hydrogeler, som ikke på annen måte er i stand til å bli deponert eller fabrikkert gjennom andre midler som fordampning. Etter hensiktsmessig ytterligere funksjonalisering (f. eks enzymer), disse SPMSs kan være egnet for miljø Utbedring3, som rengjøring biologiske giftstoffer, organiske forurensninger, og kjemiske og biologiske krigføring agenter4.
Protocol
Forsiktig: Ta kontakt med relevante Material sikkerhets dataark før bruk av Hydrogenperoksid, natrium, etanol, kalsiumklorid og metanol. Sørg for at du bruker alt egnet personlig verneutstyr, inkludert tekniske kontroller, mens du håndterer kjemikaliene som brukes i denne protokollen.
1. ekstraksjon av fibroin
- Cut 5 g renset silke kokonger i ~ 1 cm2 små biter med saks.
- Kok 2 L av deionisert (DI) vann i et 2 liter beger på en magnetisk varm plate under en avtrekks hette.
- Tilsett 4,24 g natrium rør gradvis og langsomt inn i kokende vann for å unngå kokende over og la det oppløses ved hjelp av en magnetisk røre bar.
- Vent til løsningen begynner å koke igjen og tilsett kuttet biter av kokonger i løsningen. Sørg for at all silke er nedsenket i løsningen og holde løsningen kokende under konstant omrøring i 90 min. dekk begeret lett med aluminiumsfolie og fyll opp med forvarmet DI vann regelmessig for å etterfylle vanntap på grunn av fordampning.
2. tørking av fibroin
- Fjern de utpakkede fibroin fibrene fra natrium løsningen med en glass stang eller slikkepott og vask 3x med 1 L forvarmet DI vann til hver vask, gradvis redusere temperaturen for hvert vasketrinn (ca. 60 ° c, 40 ° c, og romtemperatur, 25 ° C).
- Spre ut de fibroin fibrene på en 750 mL Borosilikatglass glass krystaliserende rett og legg den i en tørke ovn ved 60 ° c under atmosfærisk trykk og la den tørke over natten. Når fibroin er tørket, oppbevares den i en lukket beholder ved romtemperatur.
3. oppløsning av fibroin
- Forbered en trefoldig løsning (Ajisawa ' s reagens) som inneholder 4,8 g av DI vann, 3,7 g av etanol, og 3,1 g av kalsiumklorid17.
- Plasser en to-hals rund bunn kolbe (100 mL) i et vannbad, laget ved å fylle en 750 mL Borosilikatglass glass krystaliserende parabol med 600 mL DI vann, på toppen av en magnetisk varm plate. Plasser den trefoldig løsningen inne i flasken.
- Plasser et termometer i en av nakken for å overvåke løsnings temperaturen nøyaktig. Dekk til den andre halsen med aluminiumsfolie for å hindre uttørking av løsningen på grunn av fordampning (eller bruk en vannkjølt reflux kondensator). Varm opp løsningen til 80 ° c.
Merk: Kontroller at termometeret er inne i løsningen. - Når temperaturen på oppløsningen er stabil ved 80 ° c, Fjern aluminiumsfolie og tilsett 1 g tørket fibroin til løsningen. Legg til en liten magnetisk røre bar for å sikre at løsningen er blandet godt gjennom oppløsningen prosessen. Dekk den andre halsen igjen med aluminiumsfolie for å minimere fordampning, men hold systemet åpent. Permisjon for å oppløse i 90 min.
4. dialyse av fibroin løsning
- Etter 90 minutters oppløsning, la den fibroin løsningen i 10 minutter avkjøles til romtemperatur.
- Ta 1 15 cm lange dialyse rør (molekylvekt cut-off 12000 − 14000 kDa) og knyt en knute i en av de to endene. Vask den i noen minutter med rennende DI vann fra springen.
- Åpne den andre enden og hell den fibroin løsningen på innsiden. Bruk en metall klemme og Lukk den andre enden av dialyse slangen for å sikre at røret er lukket så stramt som mulig. Fest en av endene av dialyse røret via en skrulokk til et tomt 30 mL plast hetteglass slik at dialyse røret kan flyte i vannet.
- Fyll et 2 liter beger med 2 L av DI vann og plasser dialyse røret inni det. Skift vann med jevne mellomrom. Sjekk ledningsevne av vannet hver gang det er endret for å følge dialyse prosessen. Den dialyse trinn ferdig når ledningsevne av vannet er under 10 μS/cm.
Merk: denne prosessen tar vanligvis rundt 24 − 36 timer med 5 vann endringer. - Etter at dialyse er fullført, skjær den ene enden av dialyse røret med saks og hell oppløsningen i en serie på 1,5 mL rør. Deretter sentrifuger for 5 min på 16 000 x g for å fjerne eventuelle partikler inne i fibroin løsningen. Samle supernatanten i et 30 mL hetteglass i plast og oppbevar det ved 4 ° c.
5. fastsettelse av RSF løsnings konsentrasjon
- Veie en ren glass Slide (W1). Tilsett 200 μL av silke oppløsning (V1).
- La glasset gli i en ovn ved 60 ° c for 2 t.
- Veie glasset lysbildet igjen (W2).
- Beregn konsentrasjonen av silke oppløsning (w/v) ved hjelp av følgende formel:
6. utarbeidelse av blekk for utskrift
- Klargjør blekk A (endelig volum 1,5 mL) ved å blande fibroin oppløsning (40 mg/mL), polyetylen glykol 400 (PEG400, 14 mg/ml) og deionisert vann for utskrift av hoveddelen av SPMSs.
- For utskrift av katalysator for SPMSs, bland fibroin (40 mg/mL), PEG400 (12 mg/ml), catalase (6 mg/ml med katalysator for > 20000 enheter/mg) og deionisert vann for å lage 1,5 ml blekk B.
- Klargjør 1,5 mL blekk C ved å oppløse Coomassie strålende blå (0,05 mg/mL) i metanol.
Merk: metanol brukes til å konvertere fibroin tilfeldige spoler til stive beta ark ved å skrive ut blekk C på toppen av blekk A eller blekk B. Coomassie brilliant blå brukes til å gi en kontrast farge på SPMSs å hjelpe automatisk sporing av SPMSs under fremdrift.
7. reaktiv Inkjet 3D-utskrift
Merk: Inkjet-skriveren som brukes i disse eksperimentene er basert på piezo drevne spyling enheter med glass dyser. Det finnes flere kommersielt tilgjengelige blekkskrivere for forskning som kan duplisere disse funksjonene.
- Bruk spyling enheter med 80 μm dyse diameter for utskrift av blekk på en silisium substrat plassert på scenen på en arbeidsavstand mellom munnstykket og si-wafer substrat på rundt 5 mm. De geometriske figurene i SPMSs er digitalt definert som en serie punkter med X-Y-koordinater i en regnearkfil.
Merk: skriveren leser koordinatene serielt og kjører skriveren i henhold til dette. Hvert koordinat punkt får skriveren til å stråle én gang gjennom spyling heten. Separate regnearkfiler opprettes for blekk A og B (se tilleggsfiler [SPMS Main Body. xlsx og SPMS Engine. xlsx]). - Legg de tre blekkfargene (A, B og C) inn i tre reservoarer (1,5 mL hver), og juster deretter høyt ved hjelp av høyt ventilen for hver enkelt kanal for å sikre at blekket ikke drypper fra spyling-enhetene.
Merk: tre spyling enheter på uavhengige kanaler er nødvendig. - Juster spyling parametere (stige tid 1, dvele tid, fall tid, øko tid, stige tid 2, inaktiv spenning, bor spenning, ekko spenning) for hver kanal for å sikre at hver blekk gir en god stabil dråpe formasjon (figur 2).
Merk: disse parametrene er spyling enhet og blekk avhengig og må justeres tilsvarende. - Skriv ut silke fibroin blekk lag-for-lag alternerende med metanol på ren polert si-wafer underlag: trinn 1, utskrift av blekk A (hoveddelen); Trinn 2: utskrift av blekk C (herding blekk); Trinn 3: utskrift av blekk B (katalysator for motor nettsteder); Trinn 4: utskrift av blekk C (herding blekk); Trinn 5: Gjenta stadier 1-4 for ønsket lag nødvendig (f.eks. 100).
Merk: to eksempelutforminger for de 4 stadiene er inkludert i tilleggsfiler; SPMS Main Body. xlsx brukes for trinn 1 og trinn 2, og SPMS Engine. xlsx brukes for trinn 3 og trinn 4. - Skriv ut to partier med fibroin SPMSs med henholdsvis 200 lag og 100 lag tykkelse.
Merk: catalase motoren er plassert på siden av den ene enden av hver stirrer. Således har Stirrers en katalysator (se figur 1 rød region). - For å fjerne prøvene av si-wafere, dypp prøvene i DI vann og forsiktig agitere til avløsning oppstår.
8. data innsamling/sporing og bane analyse av selvgående Stirrers
- Renhet et glass Petri parabol (9 cm i diameter) med DI vann som sikrer at overflaten er støvfritt.
- Når ren og tørr, tilsett 10 mL pre-filtrert (0,45 μm) 5% w/v H2O2 inn i Petri parabolen og la å bosette seg. Lys opp bunnen av Petri parabolen med en kul hvit Light-Emitting Diode (LED) lyskilde og bruke en høyhastighetskamera med makro zoomobjektiv for å fange bevegelsen ovenfra. Lagre videoer som AVI-filer.
Merk: se tabell over materialer for detaljer om utstyret som brukes. - Vask den trykte silke Stirrers i 10 min ved å submerging dem i DI vann for å fjerne eventuelle ubundne PEG400. Ta forsiktig en vasket stirrer med tuppen av en steril sprøyte nål og plasser den i midten av Petri parabolen. Når de vasket stirrer berører H2O2 drivstoff, bobler starte forming rundt motoren og sirkulær bevegelse av stirrer er observert. Når systemet ser stabilt (vanligvis 10 − 30 s senere), trykk Record i innspillingen programvare for å begynne å fange opp videoen.
- Utfør sporing av mikro-Stirrers på en bilde for bilde basis, og spor hver ende av Stirrers som indikert av punkt A og B i Figur 3.
Merk: Dette kan gjøres manuelt eller ved hjelp av sporing programvare. - Fra innhentet sporingsdata, beregne momentant hastighet mellom to påfølgende rammer (f. eks, 1 og 2) ved hjelp av ligningen nedenfor og gjennomsnittlig den resulterende hastigheter fra hele sekvensen for å få gjennomsnittet momentant hastighet.
- Videre til dette, beregne vinkelen på orientering φ. Deretter bruker frekvensen av endring av φ å bestemme rotasjonshastighet (Figur 3).
Merk: Når du beregner momentant hastigheter fra sporede bildedata, er det viktig at det første bildet av et objekt med kjente dimensjoner er tatt for å kunne beregne riktig piksel til mikrometer verdier. Disse verdiene avhenger av kameraet, målsettingen og avstanden som brukes. Velg forskjellige sporingspunkter for beregning av hastigheten, avhengig av typen trykt partikkel. For eksempel, her sporingspunkt A, B og C (sentrum av massen) er alle brukt til å bestemme momentant hastigheter (Figur 3).
9. karakterisering av SPMSs av SEM
- Fjern ubrukte og brukte SPMSs fra si-wafer eller bulk løsning og overføre dem til 10 mm brede karbon klebrig pads montert på aluminium Scan Electron mikroskopi (SEM) stubber. Tørk prøvene i en tørke ovn i 10 minutter ved 60 ° c.
- Legg prøve stubber på den frese elektrostatisk scenen. Frese pels (Argon plasma på 0,05 torr) 50-100 NM gull på prøvene, noe som sikrer en homogen gull overflate dekning av prøven.
- Fjern prøve stubber fra frese elektrostatisk og bilde i en SEM under vakuum ved 5,0 kV.
Merk: svært høy akselerasjon spenninger kan brenne silke og gi opphav til falske funksjoner.
Representative Results
Etter koking av silke, er det forventet at de tørkede fibrene er rundt en tredjedel lettere enn før, noe som indikerer vellykket fjerning av sericin. Under oppløsningen av silke i Ajisawa ' s reagens, bør fibrene være helt oppløst, og en gul viskøs væske bør utvinnes. Etter dialyse bør silke oppløsningen være mindre tyktflytende, men likevel vise en litt gul farge. Hvis silke har blitt til gel, indikerer dette at oppløsningen ikke ble gjort vellykket.
Stabile dråper dannet fra spyling enheter vil muliggjøre høyere definisjon av de trykte prøvene. Figur 2 viser et eksempel på et stabilt enkelt dråpe for å gi gode utskriftsresultater, for eksempel den trykte silke Stirrers vist i Figur 4. Det er normalt, avhengig av hvor tyktflytende blekket er, at spredningen skjer på underlaget.
Avhengig av hvilke blekkskrivere som brukes og dråpestørrelsen, må avstanden mellom hver utskrevet dråpe justeres på en slik måte at de overlapper hverandre for å generere sammenkoblede linjer. Hvis dråpene er for langt fra hverandre, vil den trykte strukturen brytes opp. I tillegg til dette, om ikke nok lag er trykt, er det en sjanse for mikro-Stirrers bryte når den plasseres i drivstoff løsning. Når Stirrers har blitt fjernet av underlaget og vasket, plassere dem i hydrogen peroxide drivstoff løsningen skal umiddelbart resultere i bobler dannes. Suksessen rate av god boble utgivelse avhenger sterkt på enzymet aktivitet; Hvis enzymaktiviteten er lav, vil færre bobler danne dermed føre til dårlige Fremdrifts resultater. Figur 5 viser hvordan overflaten morfologi av Stirrers endres på grunn av boblene blir løslatt fra de indre strukturene genererer små porer. En vellykket mikro-stirrer vil ligne på de som kan sees i figur 6 og de to supplerende videoer S1 og S2 hhv.
Figur 6 viser fortsatt video bilder av to representative, 100-lags (figur 6a) og 200-lags (figur 6b) mikro-Stirrers i 5% H2O2 drivstoff. De røde og grønne linjene indikerer baner sporet (se supplerende videoer S1 og S2). Rotasjonshastigheten kan bestemmes av frekvensen av endring av orientering (ɸ, Figur 3) som vist i figur 7. Sammenligning av 100-lags og 200-lags catalase dopet mikro-Stirrers viser en særegen økning i rotasjonshastighet på ~ 0,6 fold fra 60 ± 6 RPM til 100 ± 10 RPM (figur 7).
Figur 1: skjematisk illustrasjon av den katalysatorer av hydrogen peroxide i vann og oksygen ved catalase innebygd i stirrer ' s stillaset på ønsket steder (vist i rødt). Produktet oksygen bobler gi nødvendig fremdrift for å flytte stirrer. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: tiden forfalle bilder av dråpe dannelse av RSF fra en spyling enhet (dyse diameter 80 μm). Tallene under bildene representerer medgått tid, i mikrosekunder (μs), siden initiering av spyling av silke blekk dråpe. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: skjematisk fremstilling av partikkel sporing over to påfølgende rammer. A og B indikerer sporingspunkter og C indikerer midten av massen. φ angir vinkelen på retningen. SPMS baneretningen indikeres av den buede svarte pilen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: lys mikroskop av en FERSK RIJ trykt mikro-stirrer (100 lag) før vask. Rød boks betegner catalase dopet regionen (motor region). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: SEM bilder av hoveddelen og catalase motoren del av en SPMS etter porene er dannet på grunn av boble utgivelse. Porene kan tydelig ses på motoren overflaten i SEM bilder av SPMSs stammer fra oksygen boble utgivelsen. (A) silke mikro-Stirrers før eksponering til 5% w/v H2O2 drivstoff løsning. (B) silke SPMS etter eksponering til 5% w/v H2O2 drivstoff løsning. Bilder til høyre er utvidelser av de røde regionene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: video bilder av to mikro-Stirrers i 5% drivstoff løsning viser banen over tid. (A) 100-lags mikro-Stirrers. (B) 200-lags mikro-Stirrers. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7: sammenligning av vinkel på orientering (φ) for 100-lags (60 ± 6 RPM) og 200-lags (100 ± 10 RPM) mikro-Stirrers. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Ekstra video S1: representativ 100 aktive mikro-stirrer på 5% w/v H 2 andre priser O 2 andre priser gjennomgår fremdrift. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende video S2: Representative 200 aktive mikro-stirrer på 5% w/v H 2 andre priser O 2 andre priser gjennomgår fremdrift. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Discussion
En viktig funksjon i SPMSs produsert i denne protokollen er evnen til raskt og enkelt å designe ulike former og strukturer via RIJ av silke dopet med enzymer som catalase og oppnå kjemisk drevet bevegelse via boble fremdrift5. Dette sammen med den høye biokompatibilitet18 av disse Stirrers gjør dem svært attraktive for fremtidige applikasjoner for både vann Utbedring utfordringer samt for Lab-on-a-chip applikasjoner for medisinsk diagnose enheter.
Her er Fremdrifts evnen demonstrert ved å benytte en enkel linje design med en motor del trykt til siden av den som vist i figur 1. Den røde prikker representerer katalytisk aktive catalase dopet motordeler og de blå prikkene representerer inaktive deler. For å kunne generere 3D-figurer via RIJ, er det nødvendig å skrive ut flere lag for å generere en z-akse høyde. Her ble antall lag satt inn på en si-wafer var 100 og 200. Ved å variere antall lag, en forskjell i fremdrift hastighet/rotasjon sammenlignbare med deponering doble mengden materiale kan bli funnet. For å få veldefinerte strukturer under blekkskriver er det viktig at de korrekte spyling-parametrene er valgt for å oppnå en veldefinert dråpe som vist i figur 2. Disse parametrene vil variere i henhold til blekket som brukes og spyling enheter. Hvis blekket ikke produserer stabile dråper, er blekket mest sannsynlig ikke lenger egnet for utskrift og er mest sannsynlig begynner å bli til gel. Det er viktig å merke seg at oppløsnings grensen avhenger sterkt av størrelsen på munnstykket som brukes, og mindre dyser gir høyere oppløsning og mindre strukturer/partikler som skrives ut.
Et eksempel på RIJ trykt silke stirrer er vist i Figur 4, der catalase dopet motoren del (som indikert av den røde merket region) kan sees festet til siden av hoveddelen (se skjematisk i figur 1 for detaljer). Den trykte silke stillaset er et materiale som gjør at drivstoff løsningen til diffuse gjennom hele 3D-strukturen, og dermed oksygen bobler dannes under nedbryting av hydrogen peroxide via catalase. Oksygen boblene som frigjøres genererer mikron skala porer i silke stillas strukturen som kan ses ved å sammenligne SEM-micrographs før eksponering for H2o2 drivstoff (figur 5a) og etter h2o2 eksponering ( Figur 5B). For å sikre at bevegelse er på grunn av nedbryting av H2O2 drivstoff, men ikke overflatespenning drevet via utgivelsen av Peg400, er det viktig at Stirrers er i utgangspunktet nedsenket i vann i en periode på minst 10 min og testet i di vann for overflate spennings bevegelse før fremdrift i drivstoff løsning.
Bruken av PEG400 gir mulighet for bedre utslipp av bobler fra silke overflaten19 som tidligere forklart av Gregory et al.5 men kan også gi opphav til overflatespenning drevet fremdrift, noe som kan være ønskelig avhengig av programmet som tidligere har beskrevet20. Denne andre mekanismen gir også mulighet til å produsere SPMSs med to mekanismer som er tid avhengige og kan være en fordel for visse programmer som ville for eksempel forvente innledende energisk omrøring i starten etterfulgt av tregere fortsatte lengre tidsperioder20.
I konklusjonen, ved å bruke RIJ å produsere autonome selvgående enheter, et stort utvalg av former og størrelser kan enkelt utformes og skrives ut. Silk som base materiale for enhetene gir muligheter til å enkelt kapsler inn enzymer og andre andeler i strukturer som gir mulighet til å legge til funksjoner til disse enhetene.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne ønsker å anerkjenne støtte fra EPSRC via X. Zhao ' s reaktive blekkskrivere utskrift av silke materialer priser (EP/N007174/1 og EP/N023579/1), S. J. Ebbens Career Acceleration Fellowship, og Healthcare Technology Impact Fellowship (EP/J002402/ 1 og EP/N033736/1). Forfatterne takker også Dr. Qingyou Xia fra staten nøkkel laboratorium for Silkworm Genova biologi, Southwest University, Kina for å gi silke kokonger.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sodium Carbonate | Alfa Aesar | 11552 | anhydrous, 99.5%, granular |
| Calcium Chloride | Fluka Analytical | C1016 | anhydrous, >93%, granular |
| Ethanol | Fisher Scientific | 10542382 | HPLC grade |
| PEG-400 | Aldrich Chemistry | 202398 | average Mn 400, tetramer mol wt ~250 kDa |
| Catalase | Sigma Life Science | E3289 | >20K units |
| Methanol | Acros Organics | 268280025 | HPLC grade |
| Hydrogen Peroxide | Sigma Aldrich | 31642 | 30% (w/w) |
| Silk | Southwest University, China | NA | Raw Cleaned Silk Cocoons, Bombox Mori |
| Dialysis Tubes | Sigma Aldrich | D9777 | Cellulose, avg, flat width 25 mm, Typical molecular weight cut-off = 14000 |
| Fisherbrand Hoffman Clips | Fisher Scientific | 12744396 | Clips used to close the ends of the dialysis tubes |
| Si-Wafer | Sigma Aldrich | 647535 | Used as printing substrate |
| Balance | OHAUS Pioneer | PA214C | Analytical Balance |
| Conductivity meter | Mettler Toledo | FG3 | Mettler Toledo FiveGo Portable conductivity meter |
| Centrifuge | Thermo Scientific | 10355052 | Heraeus Biofuge fresco sold by Thermo Scientific |
| Hotplate | Stuart | US152 | Stuart US152 Magnetic Stirrer |
| Camera | PixeLink | PL-D732CU-T | High Speed Colour Camera |
| Lens | Navitar | Navitar 1-60135 | Macro Zoom Lens |
| Jetting Devices | Microfab Technologies Inc. | MJ-AT-01-40-8MX | 80um nozzle diameter Jetting device |
| MJ-AT-01-80-8MX | 80um nozzle diameter Jetting device | ||
| Lightpad | AGPTEK | UN-HL0245-EUUN | Light for the swimming experiment |
| Pipettors | Eppendorf | 3123000063 | single-channel, variable, 100 – 1,000 µL, blue |
| 3123000055 | single-channel, variable, 20 – 200 µL, yellow | ||
| Microscope | Nikon | LV100ND | Manual, upright microscope |
| SEM | Fei | F50 | Used for Scanning electron micrographs |
References
- Gregory, D. A., Campbell, A. I., Ebbens, S. J. Effect of Catalyst Distribution on Spherical Bubble Swimmer Trajectories. The Journal of Physical Chemistry C. 119 (27), 15339-15348 (2015).
- Paxton, W. F., et al. Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods. Journal of the American Chemical Society. 126 (41), 13424-13431 (2004).
- Gao, W., et al. Seawater-driven magnesium based Janus micromotors for environmental remediation. Nanoscale. 5 (11), 4696-4700 (2013).
- Li, J., et al. Water-Driven Micromotors for Rapid Photocatalytic Degradation of Biological and Chemical Warfare Agents. ACS Nano. 8 (11), 11118-11125 (2014).
- Gregory, D. A., Zhang, Y., Smith, P. J., Zhao, X., Ebbens, S. J. Reactive Inkjet Printing of Biocompatible Enzyme Powered Silk Micro-Rockets. Small. 12 (30), 4048-4055 (2016).
- Ismagilov, R. F., Schwartz, A., Bowden, N., Whitesides, G. M. Autonomous movement and self-assembly. Angewandte Chemie-International Edition. 41 (4), 652-654 (2002).
- Li, T., et al. Highly Efficient Freestyle Magnetic Nanoswimmer. Nano Letters. 17 (8), 5092-5098 (2017).
- Barbot, A., Decanini, D., Hwang, G. Controllable Roll-to-Swim motion transition of helical Nanoswimmers. 2014 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. , 4662-4667 (2014).
- Xuan, M., et al. Near Infrared Light-Powered Janus Mesoporous Silica Nanoparticle Motors. Journal of the American Chemical Society. 138 (20), 6492-6497 (2016).
- Garcia-Gradilla, V., et al. Functionalized ultrasound-propelled magnetically guided nanomotors: toward practical biomedical applications. ACS Nano. 7 (10), 9232-9240 (2013).
- Baraban, L., et al. Catalytic Janus Motors on Microfluidic Chip: Deterministic Motion for Targeted Cargo Delivery. ACS Nano. 6 (4), 3383-3389 (2012).
- Ghalanbor, Z., Marashi, S. -A., Ranjbar, B. Nanotechnology helps medicine: Nanoscale swimmers and their future applications. Medical Hypotheses. 65 (1), 198-199 (2005).
- Lu, Q., et al. Water-Insoluble Silk Films with Silk I Structure. Acta Biomaterialia. 6 (4), 1380-1387 (2010).
- Wilson, D., Valluzzi, R., Kaplan, D. Conformational Transitions in Model Silk Peptides. Biophysical Journal. 78 (5), 2690-2701 (2000).
- Fink, T. D., Zha, R. H. Silk and Silk-Like Supramolecular Materials. Macromolecular Rapid Communications. 0 (0), 1700834 (2018).
- Chelikani, P., Fita, I., Loewen, P. C. Diversity of structures and properties among catalases. Cellular and Molecular Life Sciences CMLS. 61 (2), 192-208 (2004).
- Ajisawa, A. Dissolution of silk fibroin with calciumchloride/ethanol aqueous solution. Journal of Sericultural Science of Japan. 67 (2), 91-94 (1998).
- Zhang, Y., Gregory, D. A., Smith, P. J., Zhao, X. Regenerated silk fibroin as an inkjet printable biomaterial. Printing For Fabrication (NIP). , Society for Imaging Science and Technology. Manchester. 406-409 (2016).
- Gregory, D. A., Zhang, Y., Smith, P. J., Ebbens, S. J., Zhao, X. Altering the Bubble Release of Reactive Inkjet Printed Silk Micro-rockets. Printing For Fabrication (NIP). , Society for Imaging Science and Technology. Manchester. 452-456 (2016).
- Zhang, Y., et al. Reactive Inkjet Printing of Functional Silk Stirrers for Enhanced Mixing and Sensing. Small. , e1804213 (2018).
