इस प्रोटोकॉल के लिए प्रतिक्रियाशील इंकजेट मुद्रण का उपयोग करने के लिए स्व-motile biocompatible और पर्यावरण की दृष्टि से दोस्ताना माइक्रो बायोमेडिकल और पर्यावरण अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए सूक्ष्म stirrers प्रिंट की क्षमता दर्शाता है ।
इस अध्ययन में, प्रतिक्रियाशील इंकजेट मुद्रण का उपयोग करने के लिए एक प्रोटोकॉल, अच्छी तरह से परिभाषित आकृतियों के साथ एंजाइमेटिकली प्रोपेल्ड रेशम तैराकों की सूचना दी जाती है । परिणामस्वरूप उपकरणों आत्म चालित वस्तुओं का एक उदाहरण है बाह्य प्रवर्तन बिना गति पैदा करने में सक्षम है और चिकित्सा और पर्यावरण विज्ञान में माइक्रो सरगर्मी, लक्षित से लेकर प्रयोजनों की एक किस्म के लिए संभावित अनुप्रयोगों है चिकित्सीय प्रसव, पानी रिमेडियेशन करने के लिए (जैसे, तेल फैल सफाई) । इस विधि प्रतिक्रियाशील इंकजेट मुद्रण के लिए पानी में घुलनशील पुनर्जीवित रेशम फाइफ़िन (रेशम मैं) में परिवर्तित द्वारा अच्छी तरह से परिभाषित छोटे पैमाने पर ठोस रेशम संरचनाओं पैदा करने के लिए अघुलनशील रेशम फाइफ़िन (रेशम द्वितीय) को रोजगार । ये संरचनाएं भी चुन कर रहे है के साथ विशिष्ट क्षेत्रों में अपमिश्रित एंजाइम कैटालेज के माध्यम से गति का उत्पादन करने के लिए बुलबुला पीढ़ी और टुकड़ी । मुद्रित परतों की संख्या डिवाइस की तीन आयामी (3 डी) संरचना निर्धारित करता है, और इसलिए यहां नोदी प्रक्षेप पथ पर इस पैरामीटर के प्रभाव की सूचना दी है । परिणाम मुद्रित संरचनाओं के आयामों को अलग करके गति को ट्यून करने की क्षमता प्रदर्शित करते हैं ।
कृत्रिम स्व-चालित माइक्रो-stirrers (spmss) प्रणोदन तंत्र की एक किस्म को रोजगार के लिए प्रस्ताव है, जो या तो रासायनिक प्रणोदन1,2,3,4के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है उत्पादन, 5 । , 6 या शारीरिक बाहरी प्रणोदन । एक आम रासायनिक प्रणोदन तंत्र के लिए उत्प्रेरक या एंजाइमी गतिविधि का उपयोग करने के लिए या तो गति उत्पादन gradients उत्पंन या बुलबुले कि वस्तु को गति प्रदान उत्पंन जब वे अलग है । पिछले अध्ययनों से कई उत्प्रेरक और रासायनिक spmss की जांच की है, प्लेटिनम नैनोकणों और क्रोमियम सतह1, सोने-प्लेटिनम biधातुई janus नैनो-छड़2, मैग्नीशियम जानस पर अधिशोषित के साथ polystyrene मोती सहित माइक्रो-stirrers3, माइक्रो-एक मैग्नीशियम कोर और टाइटेनियम डाइऑक्साइड के खोल के साथ एंबेडेड गोल्ड नैनोकणों4के साथ बनाया, और रेशम फाइफ़िन जानस माइक्रो-रॉकेट पाड़ के भीतर एंबेडेड कैटालेज के साथ5। भौतिक प्रणोदन तंत्र चुंबकीय7,8, ऑप्टिकल9, और अल्ट्रासोनिक10 प्रणोदन प्रणाली, सभी एक बाहरी भौतिक स्रोत द्वारा नियंत्रित किया जा रहा शामिल हैं । इच्छित अनुप्रयोग पर निर्भर करता है, SPMS आकार कुछ नैनोमीटर से कई माइक्रोमीटर तक के लिए रेंज कर सकते हैं । इन उपर्युक्त और अन्य एसपीएमएसएस के संभावित अनुप्रयोगों के उदाहरण हैं-प्रयोगशाला-ऑन-ए-चिप उपकरणों के साथ रोगों का चिकित्सीय निदान11, लदान और चिकित्सा विज्ञान के लिए वीवो लक्षित सुपुर्दगी12, पर्यावरणीय उपचारण3 (जैसे, तेल फैल सफाई), और रासायनिक और जैविक युद्ध एजेंटों के प्रकाश उत्प्रेरक गिरावट, ऐसे bacillus एंथ्रेस और तंत्रिका एजेंटों के रूप में4। लक्ष्य अनुप्रयोग निर्भर, यह इसलिए वांछनीय है कि SPMSs कि परिवहन चुनौतियों के लिए लंबी रैखिक प्रक्षेप पथ या माइक्रो मिश्रण अनुप्रयोगों के लिए घूर्णी प्रक्षेप पथ के रूप में विशिष्ट प्रक्षेप पथ से गुजरना करने में सक्षम होना करने के लिए । यहां ध्यान सरगर्मी अनुप्रयोगों के लिए घूर्णी गति पर है ।
वहां कोई एक स्थापित करने के लिए SPMSs बनाने की विधि है, लेकिन चिकित्सा और पर्यावरण अनुप्रयोगों के लिए, यह एक सामग्री है कि biocompatible, biodegradable, पर्यावरण के अनुकूल है, आसानी से उपलब्ध है, सस्ते और जटिल SPMSs के आसान निर्माण की अनुमति देता है का उपयोग करने के लिए आवश्यक है अत्याधुनिक उपकरणों की आवश्यकता के बिना । पुनर्जीवित रेशम फाइफ़िन (आरएसएफ) एक ऐसी सामग्री है कि इन सभी मानकों को पूरा करने के साथ साथ भी खाद्य एवं औषधि प्रशासन (एफडीए) द्वारा अनुमोदित किया जा रहा है ।
रेशम एक जेनेरिक शब्द है जिसका प्रयोग प्राकृतिक रूप से होने वाले रेशेदार प्रोटीनों के लिए किया जाता है, जिसमें से सबसे अधिक जाना जाता है, रेशम कीट के लार्वा, बॉम्बिक्स मोरी, अपनी प्यूपरेशन से पहले बनाया गया है । इन कोया फाइकोइन, एक रेशेदार प्रोटीन से बना रहे हैं, एक और sericin बुलाया प्रोटीन के साथ अटक । रेशम फाइफाइन (एस एफ) उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों, biocompatibility, और biodegradability13है पाया गया है, जो यह SPMSs fabricating के लिए एक आदर्श विकल्प बनाता है । एस एफ तीन बहुरूपी रूपों में मौजूद है, अर्थात्, रेशम मैं, द्वितीय, और तृतीय । रेशम मैं एक पानी में घुलनशील मितस्थायी मुख्य रूप से युक्त रूप है हेलिक्स और यादृच्छिक coils; रेशम II एक जल अघुलनशील रूप है, जिसमें मुख्य रूप से क्रिस्टलित रेशम की प्रतिसमांतर β शीट होती है; और सिल्क III एक तिगुना polyglycine द्वितीय पेचदार संरचना है कि पानी के रेशम समाधान के हवा इंटरफेस पर मौजूद है । अंय रेशेदार प्रोटीन के समान, एस एफ एमिनो एसिड दृश्यों की इकाइयों दोहरा है । कोकून के स्वाभाविक रूप से होने वाले एसएफ में ऐसी दोहराए जाने वाली इकाइयों (GAGAGX) के तीन मुख्य हेक्सापेप्टाइड डोमेन होते हैं, जबकि X ए, एस या वाई हो सकता है । हाइड्रोजन जिल्द के माध्यम से, (GA) एन रूपांकनों प्रतिसमांतर β शीट संरचनाओं से आगे वान der waals बलों और फार्म जलविरागी नैनो crystallizations14,15के माध्यम से ढेर ।
Biocompatibility और आगे के लिए स्वाभाविक रूप से घटनेवाला एंजाइमों का उपयोग करने के लिए एक तरल माध्यम (ईंधन) में एक एकाग्रता ढाल या गैस बुलबुले उत्पंन करने के लिए प्रणोदन ड्राइव की मांग से सुधार किया जा सकता है । नतीजतन, इस अध्ययन में, एंजाइम कैटालेज “इंजन” के रूप में हाइड्रोजन पेरोक्साइड जलीय ईंधन माध्यम के रूप में इस्तेमाल किया जा रहा के साथ प्रणोदन उत्पंन करने के लिए प्रयोग किया जाता है । कैटालेज लगभग सभी जीवों में पाया जाने वाला एक एंजाइम है । यह हाइड्रोजन पेरोक्साइड (एच2ओ2) के अपघटन को पानी और आक्सीजन16में उत्प्रेरित करता है । SPMSs के एंजाइम साइटों से ऑक्सीजन बुलबुले की रिहाई के लिए यह बुलबुला रिहाई5 के विपरीत दिशा में प्रणोदन गुजरना करने के लिए कारण वस्तु पर एक बल उत्पंन (चित्रा 1) ।
एक उत्प्रेरक के रूप में संचालित SPMS में, विभिन्न प्रणोदन व्यवहार और प्रक्षेप पथ के परिणाम उत्प्रेरक साइट की अलग स्थिति1। कुशल माइक्रो-stirrers पैदा करने की खोज में, यह इसलिए, अच्छी तरह से परिभाषित ज्यामितीय आकार और इंजन की स्थिति के साथ stirrers बनाना आवश्यक है और इंजन के विभिंन शक्तियों की तुलना करें । यहां, इन जांचों को सुकर बनाने के लिए यह बताया गया है कि किस प्रकार रिएक्टिव इंकजेट प्रिंटिंग (आरआईजे) प्रौद्योगिकी का उपयोग करके मिलीमीटर के स्केल पर पुनर्निर्मित रेशम फाइब्रिन एसपीएमएसएस तैयार किया जाता है । Inkjet मुद्रण सामग्री के बयान के लिए एक गैर संपर्क विधि है । यह विभिंन आकार सीधा पैदा करने में उच्च परिशुद्धता के साथ छोटे जटिल संरचनाओं के निर्माण बनाता है । RIJ जगह लेता है जब दो या अधिक अलग प्रतिक्रिया सामग्री जमा कर रहे है और सब्सट्रेट पर प्रतिक्रिया के लिए वांछित उत्पाद सामग्री का उत्पादन । इसलिए, SPMSs केंद्र बंद एक उत्प्रेरक विलोडक साइट के साथ मुद्रित वस्तु विषमता कि घूर्णी गति में परिणाम देता है । यह दृष्टिकोण भी बनाता है यह सरल आकार और डिजाइन कंप्यूटर द्वारा परिभाषित-एडेड डिजाइन (सीएडी), इस प्रकार व्यावहारिक के दौरान वांछित आंदोलन पर आसान और अधिक सटीक नियंत्रणता की अनुमति की एक किस्म में सूक्ष्म stirrers निर्माण के लिए अनुप्रयोगों. अंत में, विभिन्न प्रणोदन गुणों प्रदर्शन है कि अलग मोटाई के साथ मुद्रण उपकरणों की क्षमता का प्रदर्शन किया है ।
इस अध्ययन में आरएसएफ के साथ माइक्रोमीटर टू मिलीमीटर स्केल पर एसपीएमएसएस के निर्माण की रूपरेखा दी गई है । RSF माइक्रो-stirrers विनिर्माण के लिए RIJ प्रौद्योगिकी का उपयोग ऐसे स्वस्थानी में के रूप में सामग्री से माइक्रो-stirrers के उच्च बहुमुखी उत्पादन के लिए दरवाजे खोलता है पाड़ या hydrogels, जो अंयथा कर रहे है के लिए जमा या के माध्यम से निर्मित अन्य साधन जैसे वाष्पीकरण । उपयुक्त आगे functionalization (जैसे, एंजाइमों) के बाद, इन spmss जैविक विषाक्त पदार्थों, कार्बनिक प्रदूषकों, और रासायनिक और जैविक युद्ध एजेंटों4सफाई के रूप में पर्यावरण रिमेडियेशन3, के लिए उपयुक्त हो सकता है ।
इस प्रोटोकॉल में उत्पादित spmss की एक प्रमुख विशेषता के लिए जल्दी और आसानी से इस तरह के कैटालेज के रूप में एंजाइमों के साथ अपमिश्रित रेशम के rij के माध्यम से विभिन्न आकार और संरचनाओं के डिजाइन करने की क्षमता है और बुलबुला प्रणोदन5द्वारा रासायनिक संचालित गति प्राप्त । यह एक साथ उच्च biocompatibility इन stirrers के18 के साथ उंहें उच्च दोनों पानी रिमेडियेशन चुनौतियों के लिए भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए के रूप में के रूप में अच्छी तरह से प्रयोगशाला पर एक चिकित्सा निदान उपकरणों के लिए चिप अनुप्रयोगों के लिए वांछनीय बनाता है ।
यहां, प्रणोदन क्षमता एक इंजन भाग के साथ एक सरल लाइन डिजाइन का उपयोग करके यह के पक्ष में मुद्रित के रूप में चित्रा 1में दिखाया गया है । लाल डॉट्स उत्प्रेरक सक्रिय कैटालेज अपमिश्रित इंजन भागों का प्रतिनिधित्व करते है और नीले डॉट्स निष्क्रिय भागों का प्रतिनिधित्व करते हैं । RIJ के माध्यम से 3 डी आकार उत्पन्न करने के लिए सक्षम होने के लिए, यह एक z-अक्ष ऊंचाई उत्पन्न करने के क्रम में कई परतों मुद्रित करने के लिए आवश्यक है. यहां, एक Si-वेफर पर जमा परतों की संख्या १०० और २०० थे । परतों की संख्या अलग करके, प्रणोदन वेग में एक अंतर/रोटेशन सामग्री की दोगुनी राशि जमा करने के लिए तुलनीय पाया जा सकता है । इंकजेट मुद्रण के दौरान अच्छी तरह से परिभाषित संरचनाओं के लिए आदेश में, यह सही जेटिंग मापदंडों चित्रा 2में दिखाया गया है के रूप में एक अच्छी तरह से परिभाषित छोटी बूंद को प्राप्त करने के लिए चयन कर रहे है कि महत्वपूर्ण है । ये पैरामीटर इंक उपयोग किए गए और जेटिंग डिवाइस के अनुसार भिंन होंगे । यदि स्याही स्थिर बूंदों का उत्पादन नहीं करता है, तो स्याही सबसे अधिक संभावना नहीं अब मुद्रण के लिए उपयुक्त है और सबसे अधिक संभावना है जेल में बदल रहा है । यह ध्यान दें कि संकल्प सीमा दृढ़ता से इस्तेमाल नोक के आकार पर निर्भर करता है महत्वपूर्ण है, और छोटे नलिका उच्च संकल्प और छोटे संरचनाओं के लिए अनुमति/
Rij मुद्रित रेशम विलोडक का एक उदाहरण 4 चित्रामें दिखाया गया है, जहां इंजन भाग कैटालेज (के रूप में लाल चिह्नित क्षेत्र द्वारा संकेत) मुख्य शरीर के पक्ष से जुड़ा देखा जा सकता है (भी विवरण के लिए चित्रा 1 में योजनाबद्ध देखें) । मुद्रित रेशम पाड़ एक सामग्री है कि ईंधन के समाधान के लिए पूरे 3 डी संरचना में फैलाना करने के लिए अनुमति देता है, और इस तरह ऑक्सीजन बुलबुले catalase माध्यम से हाइड्रोजन पेरोक्साइड के अपघटन के दौरान गठन कर रहे हैं । ऑक्सीजन बुलबुले उत्पंन किया जा रहा माइक्रोन-स्केल रेशम पाड़ संरचना में pores के रूप में एच2ओ2 ईंधन के लिए जोखिम से पहले SEM micrographs की तुलना द्वारा देखा जा सकता है (चित्रा 5a) और एच2ओ 2 के बाद जोखिम ( चित्र 5B) । आदेश में यह सुनिश्चित करने के लिए कि गति के अपघटन के कारण है2ओ2 ईंधन पर नहीं सतह तनाव खूंटी४००के रिलीज के माध्यम से संचालित, यह महत्वपूर्ण है कि stirrers शुरू में पानी में कम से 10 मिनट की अवधि के लिए डूबे है और DI में परीक्षण किया सतह तनाव प्रस्ताव ईंधन समाधान में प्रणोदन से पहले के लिए पानी ।
खूंटी के उपयोग के४०० रेशम की सतह से बुलबुले की बेहतर रिहाई के लिए अनुमति देता है19 के रूप में पहले ग्रेगरी एट अल.5 द्वारा समझाया लेकिन यह भी सतह तनाव को जंम दे सकते है प्रणोदन, जो आवेदन के आधार पर वांछनीय हो सकता है के रूप में पहले20वर्णित है । यह दूसरी प्रणाली भी SPMSs दो तंत्र है कि समय निर्भर कर रहे है के साथ उत्पादन का अवसर देता है और कुछ अनुप्रयोगों के लिए लाभप्रद हो सकता है कि उदाहरण के लिए प्रारंभिक जोरदार सरगर्मी के बाद शुरू में धीमी जारी रखने की उंमीद करेंगे 20समय की विस्तारित अवधि के लिए सरगर्मी ।
अंत में, RIJ का उपयोग करने के लिए स्वायत्त स्वयं चालित उपकरणों का उत्पादन, आकार और आकार की एक विशाल रेंज आसानी से डिजाइन और मुद्रित किया जा सकता है । उपकरणों के लिए एक आधार सामग्री के रूप में रेशम के लिए आसानी से इन उपकरणों के लिए कार्यों को जोड़ने की संभावना देने के संरचनाओं में एंजाइमों और अंय moieties encapsulate के अवसर देता है ।
The authors have nothing to disclose.
लेखकों के लिए epsrc से समर्थन की तरह X. zhao प्रतिक्रियाशील इंकजेट रेशम सामग्री पुरस्कार की छपाई (ep/N007174/1 और ep/N023579/1), एस जे ebbens कैरियर त्वरण फैलोशिप, और स्वास्थ्य प्रौद्योगिकी प्रभाव फैलोशिप (ep/J002402/ 1 और EP/N033736/1) । लेखक सिल्क कोकून प्रदान करने के लिए रेशम कीट जीनोम जीवविज्ञान, दक्षिण पश्चिम विश्वविद्यालय, चीन की राज्य प्रमुख प्रयोगशाला से डॉ क्विंगआप ज़िया का भी शुक्रिया अदा करते हैं ।
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 |