Summary
이 프로토콜은 생체 의학 및 환경 응용 분야에서 사용 하기 위해 반응성 잉크젯 인쇄를 활용 하 여 자기 모 타일에 적합 하 고 친환경적 인 마이크로 교 반기를 인쇄 하는 기능을 보여줍니다.
Abstract
본 연구에서는, 반응성 잉크젯 인쇄를 사용 하 여 잘 정의 된 모양으로 효소 적으로 추진 된 실크 수영 선수를 제작 하는 프로토콜이 보고 된다. 결과 장치는 외부 작동 없이 동작을 생성 할 수 있는 자기 추진 개체의 예 이며, 마이크로 교 반, 대상에 이르기까지 다양 한 목적으로 의학 및 환경 과학에 잠재적 인 응용 프로그램을가지고 치료 적 전달, 물 정화 (예: 세척 오일 유출). 이 방법은 반응성 잉크젯 인쇄를 채용 하 여 수용 성 재생 실크 피 브로 인 (silk I)을 불용 성 실크 브로로 제 (실크 II)로 변환 하 여 잘 정의 된 소규모 고체 실크 구조를 생성 한다. 이들 구조물은 또한 기포 발생 및 분리를 통해 움직임을 생성 하기 위해 효소 카 탈 라 제와 함께 특정 영역에서 선택적으로도 핑 된다. 인쇄 되는 레이어 수에 따라 장치의 3 차원 (3d) 구조가 결정 되므로, 여기에는 충격 궤적에 대 한이 매개 변수의 영향이 보고 됩니다. 결과는 인쇄 된 구조의 크기를 변경 하 여 동작을 조정 하는 기능을 보여 줍니다.
Introduction
인공 자체 추진 마이크로 교 반기 (spmss)는 모션을 생산 하기 위해 다양 한 추진 메커니즘을 채택 하 고 있으며,이는 화학 추진 장치1,2,3,4 중 하나로 분류 될 수 있습니다. 5 , 6 또는 물리적 외부 추진. 일반적인 화학 추진 메커니즘은 촉매 또는 효소 활동을 사용 하 여 모션 생성 그라디언트를 발생 시키거나 분리할 때 오브젝트에 운동량을 부여 하는 버블을 생성 하는 것입니다. 이전 연구에서는 백 금 나노 입자와 크롬이 표면에 흡착 된 폴리스 티 렌 비드를 포함 한 여러 촉매 및 화학 분출 물질을 조사 했습니다.1, 골드 백 금 바이메탈 janus 나노 로드2, 마그네슘 janus 마이크로 교 반기 (3)는, 마그네슘 코어와 이산화 티타늄 쉘로 만들어진 금 나노 입자4를 포함 하는 마이크로 교 반기 및 카 탈 라 아 제를 포함 하는 실크 피 브로 인 janus 마이크로 로켓을 스 캐 폴드 (5) 내에 내장 하였다. 물리적 추진 메커니즘에는 마그네틱7,8, 광학9및 초음파10 추진 시스템이 포함 되며, 모두 외부 물리적 소스에 의해 제어 됩니다. 의도 된 용도에 따라 SPMS 크기는 수 나노미터에서 수백 마이크로미터에 이르기까지 다양 합니다. 상기 언급 된 및 다른 SPMSs의 잠재적인 응용 프로그램의 예는 실험실 온-칩 장치 (11)를 갖는 질병의 의학적 진단, 로딩 및 생체 내 표적 전달 치료제 (12), 환경 개선3 (예: 세 정 오일 유출), 바 실러 스 anthracis 및 신경 에이전트와 같은 화학 및 생물학적 전쟁 에이전트의 광 촉매 분해4. 대상 응용 분야에 의존적 이므로, 미세 혼합 적용을 위한 수송 문제 또는 회전 궤적을 위한 긴 선형 궤적 등의 특정 궤적을 겪는 SPMSs를 생산할 수 있는 것이 바람직하다. 여기서 초점은 교 반 응용 분야를 위한 회전 운동입니다.
SPMSs를 제조 하는 단일 확립 방법은 없지만, 의료 및 환경 응용 프로그램의 경우 생체 적합성, 생 분해성, 친환경, 쉽게 사용할 수 있는 재료를 사용 하는 것이 필수적입니다, 저렴 하 고 복잡 한 SPMSs의 쉽게 제조 할 수 있습니다 정교한 장비가 필요 하지 않습니다. 재생 실크 피 브로 인 (RSF)은 또한 식품 의약품 안전 청 (FDA)에 의해 승인 되는 것과 함께 이러한 모든 파라미터를 충족 하는 하나의 물질 이다.
실크는 몇 가지 자연적으로 발생 하는 섬유질 단백질에 사용 되는 일반적인 용어로, 그 중 가장 일반적으로 알려진 것은 실크 나 방, 봄 빅스 모리의 애벌레가 그의 pupation에 의해 만들어진 것입니다. 이 고치는 섬유 단백질 인 피 브로 인으로 만들어지며, 세리 신 이라는 다른 단백질과 함께 붙어 있습니다. 실크 피 브로 인 (SF)은 우수한 기계적 물성, 생체 적합성 및 생 분해성 (13)을 갖는 것으로 밝혀졌다,이는 spmss를 제조 하기 위한 이상적인 선택 이다. SF는 3 개의 다형 형태, 즉 실크 i, II 및 III에 존재 합니다. 실크 I는 주로 나선 및 랜덤 코일을 포함 하는 수용 성 준 안정 형태이 고; 실크 II는 주로 항 평행 β 시트를 포함 하는 불용 성 형태의 실크; 그리고 실크 III는 실크 용액의 물에 어 계면에 존재 하는 삼중 폴 리 글리신 II 나선 구조 이다. 다른 섬유질 단백질과 유사 하 게 SF는 아미노산 서 열의 반복 단위를가지고 있습니다. 자연적으로 발생 하는 고치의 SF는 이러한 반복 단위의 3 개의 주요 헥 사 펩타이드 도메인 (가가린)으로 구성 되며 X는 A, S 또는 Y가 될 수 있습니다. 수소 결합을 통해, 항 평행 β 시트 구조 로부터의 (GA) n 모티프는 반 데르 발스 힘을 통해 더욱 중첩 되 고 소수 성 나노결정 화 (15)를 형성 한다.
생체 적합성은 액체 배지 (연료)에서 농도 구배 또는 기체 버블을 생성 하기 위해 자연적으로 발생 하는 효소를 사용 하 여 추진력을 추구 함으로써 더욱 향상 될 수 있다. 결론적으로, 본 연구에서, 효소 카 탈 아 제는 수성 연료 매체로 사용 되는 과산화 수소를 이용 하 여 추진력을 발생 시키는 "엔진"으로 사용 된다. 카 탈 라 제는 거의 모든 생명체에서 발견 되는 효소입니다. 과산화 수소 (H2o2)의 분해를 물과 산소 (16)로 촉매 화 한다. SPMSs의 효소 부 위에서의 산소 기포의 방출은 기포 방출 (도 1)의 반대 방향으로 추진 되는 것을 야기 하는 개체 상에 힘을 발생 시킨다.
촉매 적으로 구동 된 SPMS에서, 촉매 사이트의 상이한 위치 결정은 상이한 추진 거동 및 궤적1을 초래 한다. 효율적인 마이크로 교 반기 생성을 추구 하기 때문에, 잘 정의 된 기하학적 모양과 엔진 위치로 교 반기를 제작 하 고 엔진의 다른 힘을 비교 하는 것이 필요 합니다. 여기서, 이러한 조사를 용이 하 게 하기 위해, 반응성 잉크젯 프린팅 (RIJ) 기술을 사용 하 여 밀리미터 규모로 재생 실크 피 브로 인 SPMSs를 제작 하는 방법을 설명 한다. 잉크젯 프린팅은 물질의 침착을 위한 비접촉 방식 이다. 이를 통해 다양 한 형상을 간단 하 게 생성할 때 고정밀의 작은 복합 구조물을 제작할 수가 있습니다. RIJ는 2 개 이상의 상이한 반응 물질이 기질 상에 침착 되 고 반응 하 여 원하는 생성물 물질을 생산할 때 일어난다. 따라서, 하나의 촉매 교 반기를 사용 하 여 인쇄 된 SPMSs는 오브젝트 비대칭을 제공 하 여 회전 운동을 초래 한다. 또한이 접근법은 CAD (컴퓨터 지원 설계)에 의해 정의 된 다양 한 형상 및 설계 구성으로 마이크로 교 반기를 간편 하 게 제조할 수 있게 함으로써 실용적인 동안 원하는 움직임에 대 한 보다 쉽고 정확한 제어 가능성을 가능 하 게 합니다. 응용 프로그램. 마지막으로 다양 한 추진력 특성을 나타내는 다양 한 두께의 인쇄 장치를 시연 하는 능력이 입증 되었습니다.
이 연구는 마이크로미터에서 밀리미터 규모의 RSF를 사용 하 여 Spi를 제조 하기 위한 청사진을 제공 합니다. RSF 마이크로 교 반기를 제조 하기 위한 RIJ 기술을 사용 하면 현장에서 생산 되는 스 캐 폴드 또는 하이드로 겔과 같은 재료에서 매우 다양 한 마이크로 교 반기 생산을 위한 문을 열 수 있으며,이는 그렇지 않으면 증 착 또는 가공이 불가능 합니다. 증발 등의 다른 수단. 적절 한 추가 기능화 (예: 효소) 후에, 이러한 SPMSs는 생물학적 독 소, 유기 오염 물질 및 화학 및 생물학적 전쟁 에이전트4를 청소 하는 것과 같은 환경 개선3에 적합할 수 있습니다.
Protocol
주의: 과산화 수소, 탄산 나트륨, 에탄올, 염화 칼슘 및 메탄올을 사용 하기 전에 관련 물질 안전 데이터 시트를 참조 하십시오. 이 프로토콜에 사용 되는 화학 물질을 취급 하는 동안 엔지니어링 제어를 포함 한 모든 적절 한 개인 보호 장비를 착용 하십시오.
1. 피 브로 인의 추출
- 세척 된 실크 고치 5g을가 위를 사용 하 여 약 1cm2 작은 조각으로 자릅니다.
- 추출 후드 아래에 있는 마그네틱 열판에 2l 비 커에 2 L의 탈 이온 수를 끓 이세요.
- 끓는 물에 서서히 탄산 나트륨 4.24 g을 넣고 끓는 물을 넣고 자기 교 반 바의 도움으로 용 해 시킵니다.
- 솔루션이 다시 끓이 기 시작할 때까지 기다린 후 고치의 절단 조각을 솔루션에 추가 하십시오. 모든 실크 용액에 잠겨 있는지 확인 하 고 용액을 유지 90 분에 대 한 지속적인 교 반 하에 끓입니다. 알루미늄 호 일에 비 커를 가볍게 덮고 증발로 인 한 수 분 손실을 정기적으로 예 열 된 DI water 위로 올려 줍니다.
2. 피 브로 인의 건조
- 탄산 나트륨 용액 으로부터 추출 된 피 브로 인 섬유를 유리 막대 또는 주걱으로 제거 하 고 각 세척을 위해 예 열 된 DI 수를 1 L로 세척 하 고, 각 세척 단계 마다 서서히 온도를 감소 (약 60 ° c, 40 ° c, 및 실 온, 25 ° C).
- 750 mL 붕 규 산 유리를 결정 화 접시에 피 브로 인 섬유를 펼쳐 대기압 하에서 60 ° c의 건조 오븐에 놓고 밤새 건조 하 게 둡니다. 일단 건조 되 면 실 온에서 밀폐 용기에 피 브로 인을 보관 하십시오.
3. 피 브로 인의 해산
- 4.8 g의 디 물, 에탄올 3.7, 및 염화 칼슘17의 3.1 g을 함유 하는 삼 원 용액 (아 지 사와의 시 약)을 제조 하였다.
- 2 목 둥근 바닥 플라스 크 (100 mL)를 물 욕조에 넣고, 750 mL 붕 규 산 유리를가 열 한 접시에 DI water의 600 mL를 넣어 자기 열판 위에 넣습니다. 삼 원 용액을 플라스 크 내부에 놓습니다.
- 용액 온도를 정확 하 게 모니터링 하기 위해 목 중 하나에 온도계를 놓습니다. 다른 목을 알루미늄 호 일로 덮어 증발로 인 한 용액의 건조를 방지 합니다 (또는 수냉식 환류 응축 기 사용). 용액을 80 ° c로가 열 합니다.
참고: 온도계의 전구가 용액 내부에 있는지 확인 하십시오. - 용액의 온도가 80 ° c에서 안정 되 면, 알루미늄 호 일을 제거 하 고 1 g의 말린 피 브로 인을 용액에 추가 하십시오. 용 해 공정 전반에 걸쳐 용액이 잘 섞여 있는지 확인 하기 위해 작은 마그네틱 교 반 바를 추가 하십시오. 두 번째 목을 다시 알루미늄 호 일로 덮어 증발을 최소화 하 고 시스템을 열어 두십시오. 90 분 동안 녹여 둡니다.
4. 피 브로 인 용액의 투 석
- 용 해 90 분 후, 피 브로 인 용액을 10 분간 방치 하 여 실 온까지 냉각 시켰다.
- 걸릴 1 15 긴 투 석 관 (분자량 14000 kDa) 두 끝 중 하나에 매듭을 묶어. 수돗물에서 DI 워터를 실행 하 여 몇 분간 씻으십시오.
- 다른 쪽 끝을 열고 내부에 피 브로 인 용액을 붓는 다. 금속 클램프를 사용 하 여 투 석 관의 다른 쪽 끝을 닫아 튜브가 가능한 한 단단히 닫혀 있는지 확인 합니다. 투 석 관이 물에 떠 있는 것을 허용 하기 위해 빈 30 mL 플라스틱 바이 알에 스크류 캡을 통해 투 석기 끝 중 하나를 부착 합니다.
- 2l의 비 커를 2 L의 DI 워터로 채우고 투 석 튜브를 내부에 놓습니다. 일정 한 간격으로 물을 변경 합니다. 물이 투 석 과정을 따르도록 변경 될 때마다 물의 전도도를 확인 하십시오. 투 석 단계는 물의 전도도가 10 µS이 하 이면 완료 됩니다.
참고:이 프로세스는 일반적으로 약 24-36 시간 물 5 변화와 함께 걸립니다. - 투 석이 완료 되 면 투 석 관의 한쪽 끝을가 위로 자르고 용액을 일련의 1.5 mL 튜브에 붓는 다. 이어서, 16000 x g 에서 5 분 동안 원심 분리 하 여 피 브로 인 용액 내부의 임의의 입자를 제거 한다. 상층 액을 30ml 플라스틱 바이 알에 모으고 4°c에서 보관 한다.
5. RSF 용액 농도 측정
- 깨끗 한 유리 슬라이드 (W1)를 계량 합니다. 200 µ L의 실크 용액 (V1)을 추가 합니다.
- 유리 슬라이드를 오븐에서 2 시간 동안 60 ° c로 두십시오.
- 유리 슬라이드를 다시 무게 (W2).
- 다음 공식을 사용 하 여 실크 용액 (w/v)의 농도를 계산 합니다.
6. 인쇄용 잉크의 제조
- 잉크 A를 준비 (최종 부피 1.5 mL) 피 브로 인 용액 (40 mg/ml)을 혼합 하 여, 폴 리 에틸렌 글리콜 400 (PEG400, 14mg/ml) 및 분 체의 본체를 인쇄 하는 탈 이온 수.
- 상기 SPMSs의 촉매 엔진을 40 혼합 피 브로 인, PEG400 (12mg/ml)의 촉매 활성을 갖는 카 탈 아 제 6mg/ml > 20000 단위/mg) 및 초순 수를 잉크 B의 1.5 mL로 만든다.
- Coomassie 브 릴리 언 트 블루 (0.05 mg/ml)를 메탄올에 녹여 1.5 mL의 잉크 C를 준비 한다.
참고: 메탄올은 잉크 A 또는 잉크 B의 상단에 잉크 C를 인쇄 하 여 피 브로 인 랜덤 코일을 경질 베타 시트로 변환 하는 데 사용 됩니다. Coomassie 화려한 블루는 추진력 동안 SPMSs의 자동 추적을 지원 하기 위해 SPMSs의 대조 색상을 제공 하는 데 사용 됩니다.
7. 반응성 잉크젯 3D 프린팅
참고:이 실험에 사용 된 잉크젯 프린터는 유리 노즐이 있는 피에 조 작동 젯 팅 장치를 기반으로 합니다. 이러한 기능을 복제할 수 있는 연구를 위해 시중에서 판매 되는 잉크젯 프린터가 몇 가지 있습니다.
- 노즐 및 약 5mm의 Si 웨이퍼 기판 사이의 작동 거리에서 스테이지에 배치 된 실리콘 기판에 잉크를 인쇄 하기 위해 80 μ m 노즐 직경이 있는 젯 팅 장치를 사용 합니다. SPMSs의 기하학적 형상은 스프레드시트 파일에서 X-y 좌표의 일련의 점으로 디지털 방식으로 정의 됩니다.
참고: 프린터는 좌표를 순차적으로 읽고 그에 따라 프린터를 실행 합니다. 각 좌표 점은 젯 팅 장치를 통해 한 번 프린터 제트를 만듭니다. 별도의 스프레드시트 파일은 잉크 A와 B에 대해 생성 됩니다 ( 추가 파일 [spms 본체. XLSX 및 spms). - 3 개의 잉크 (A, B 및 C)를 3 개의 저장소 (각각 1.5 mL)에 넣고 각 개별 채널에 대 한 백 압력 밸브를 사용 하 여 역 압을 조정 하 여 젯 팅 장치에서 잉크가 떨어지는 것을 방지 합니다.
참고: 독립적인 채널에 3 개의 젯 팅 장치가 필요 합니다. - 각 채널에 대해 젯 팅 파라미터 (상승 시간 1, 체류 시간, 하강 시간, 에코 시간 상승 시간 2, 유휴 전압, 잔상 전압)를 조정 하 여 각 잉크가 양호한 안정적인 방울 형성을 제공 하는지 확인 합니다 (그림 2).
참고: 이러한 매개 변수는 장치 및 잉크에 따라 분사 되며 적절 하 게 조정 해야 합니다. - 실크 피 브로 인 잉크 층을 깨끗 하 게 광택 처리 된 Si 웨이퍼 기판에 메탄올을 번갈아 사용 하 여 인쇄 합니다. 1 단계, 잉크 A의 인쇄 (본체); 단계 2: 잉크 C의 인쇄 (경화 잉크); 단계 3: 잉크 B의 인쇄 (엔진 사이트에 대 한 촉매 잉크); 단계 4: 잉크 C의 인쇄 (경화 잉크); 단계 5: 필요한 레이어 (예: 100)에 대 한 반복 단계 1-4.
참고: 4 단계에 대 한 두 가지 예제 디자인이 보조 파일에 포함 되어 있습니다. SPMS 본체. xlsx는 1 단계와 2 단계에 사용 되 고 SPMS 엔진은 3 단계와 4 단계에 사용 됩니다. - 각각 200 층과 100 층 두께의 피 브로 인 분출의 두 배치를 인쇄 합니다.
참고: 카 탈 ase 엔진은 각 교 반기 한쪽 끝에 위치 합니다. 따라서 교 반기에는 하나의 촉매 엔진이 있습니다 ( 그림 1 의 빨간색 영역 참조). - 샘플을 Si 웨이퍼에서 제거 하려면, 샘플을 DI water에 담그고 분리가 발생할 때까지 부드럽게 교 면 하십시오.
8. 자기 추진 교 반기에 대 한 데이터 수집/추적 및 궤적 분석
- 유리 페 트리 접시 (직경 9cm)를 DI water로 청소 하 여 표면이 먼지가 없는 것을 보장 합니다.
- 깨끗 하 고 건조 한 후에는 페 트리 디쉬에 예비 여과 된 10 mL (0.45 μ m) 5 % w/w를 넣고 침전 시켜 둡니다. 시원한 백색 발광 다이오드 (LED) 광원으로 페 트리 접시의 바닥을 점등 하 고 매크로 줌 렌즈가 있는 고속 카메라를 사용 하 여 위에서 모션을 캡처합니다. 비디오를 .avi 파일로 저장 합니다.
참고: 사용 되는 장비에 대 한 자세한 내용은 재료 표 를 참조 하십시오. - 인쇄 된 실크 교 반기를 10 분 동안 세척 하 여 결합 되지 않은 PEG400을 제거 하기 위해 DI water에 서브 병합 합니다. 조심 스럽게 주사기 바늘의 끝으로 한 세척 된 교 반기를가지고 페 트리 접시의 중앙에 배치. 세척 된 교 반기가 H2o2 연료에 닿으면, 엔진 주위에 기포가 형성 되 고 교 반기의 순환 운동이 관찰 된다. 시스템이 안정적으로 나타나면 (보통 10-30 초) 녹화 소프트웨어에서 기록을 눌러 비디오 캡처를 시작 합니다.
- 그림 3의 점 a와 B로 표시 된 대로 교 반기의 각 끝을 추적 하 여 프레임 단위로 마이크로 교 반기를 추적 합니다.
참고:이 작업은 수동으로 또는 추적 소프트웨어의 도움으로 할 수 있습니다. - 얻어진 트래킹 데이터 로부터, 다음의 수학식 들을 이용 하 여 2 개의 연속적인 프레임 들 (예컨대, 1 및 2) 사이의 순간적인 속도를 계산 하 고, 전체 시퀀스 로부터 얻어진 속도를 평균 순 시 속도를 얻는다.
- 또한, 방향 φ의 각도를 계산 합니다. 그런 다음 φ의 변화율을 사용 하 여 회전 속도를 결정 합니다 (그림 3).
주: 추적 된 이미지 데이터에서 순간 속도를 계산할 때 알려진 치수가 있는 객체의 초기 이미지를 정확한 픽셀을 마이크로미터 값으로 계산할 수 있도록 하는 것이 중요 합니다. 이러한 값은 사용 된 카메라, 목표 및 거리에 따라 달라 집니다. 인쇄 된 입자의 유형에 따라 속도를 계산 하기 위해 다른 추적점을 선택 합니다. 예를 들어 여기서 추적 지점 A, B 및 C (질량 중심)는 모두 즉각적인 속도를 결정 하는 데 사용 됩니다 (그림 3).
9. SEM에의 한 SPMSs의 특성화
- Si 웨이퍼 또는 벌크 솔루션에서 미사용 및 사용 된 SPMSs를 제거 하 고 알루미늄 스캔 전자 현미경 (SEM)에 장착 된 10mm 폭의 카본 점착 패드에 옮겨 놓습니다. 60 ° c에서 10 분 동안 건조 오븐에서 샘플을 건조 시켰다.
- 샘플 스터브를 스퍼터 코 터 단계에 로드 합니다. 스퍼터 코트 (0.05 Torr의 아르곤 플라즈마)는 샘플에 50 ~ 100 nm의 금을 제공 하 여 샘플의 균일 한 금 표면 커버리지를 보장 합니다.
- 5.0 kV의 진공 상태에서 스퍼터 코 터와 이미지에서 샘플 스텁을 제거 합니다.
참고: 매우 높은 가속도 전압은 실크를 연소 하 고 거짓 기능을 야기 할 수 있습니다.
Representative Results
실크를 끓인 후, 건조 된 섬유질이 이전 보다 약 1/3가 볍 기 때문에 세리 신의 성공적인 제거를 나타내는 것으로 예상 된다. 아 지 사와의 시 약에서 실크를 용 해 하는 동안 섬유가 완전히 용 해 되어야 하며 황색 점성 액체를 회수 해야 합니다. 투 석 후, 실크 용액은 덜 점성 이어야 하지만 여전히 약간 노란 색을 표시 한다. 실크는 젤로 전환 하는 경우, 이것은 해산 성공적으로 완료 되지 않았음을 나타냅니다.
젯 팅 장치 로부터 형성 된 안정한 물방울은 인쇄 된 샘플의 더 높은 정의를 가능 하 게 한다. 도 2 는 도 4에 도시 된 인쇄 된 실크 교 반기와 같은 양호한 인쇄 결과를 제공 하는 안정한 단일 액 적의 일례를 나타낸다. 잉크의 점성도에 따라, 기판 상에 확산이 발생 하는 것이 정상입니다.
사용 된 잉크젯 프린터와 액 적 크기에 따라 각 인쇄 된 물방울 사이의 거리는 연결 된 선을 생성 하기 위해 겹치는 방식으로 조정 되어야 합니다. 물방울이 너무 멀리 떨어져 있으면 인쇄 된 구조가 손상 됩니다. 이 외에도 충분 한 층이 인쇄 되지 않으면 연료 용액에 넣을 때 마이크로 교 반기가 파손 될 가능성이 있습니다. 교 반기가 기판에서 제거 되 고 세척 되 면 과산화 수소 연료 용액에 배치 하면 즉시 거품이 형성 되는 결과를 초래할 수 있습니다. 좋은 거품 방출의 성공 비율은 효소 활동에 강하게 달려 있습니다; 효소 활성이 낮으면 더 적은 기포가 형성 되어 추진력의 저하 결과를 초래 합니다. 도 5 는 작은 기공을 발생 시키는 내부 구조 로부터 기포가 방출 됨으로써 교 반기의 표면 형태학이 어떻게 변경 되는지 보여준다. 성공적인 마이크로 교 반기는 도 6 과 2 개의 보조 비디오 S1 및 S2 에서 각각 볼 수 있는 것과 유사 하 게 보일 것 이다.
도 6 은 5% h2o 연료의 2 개의 대표 100 층 (도 6a) 및 200 층 (도 6b) 마이크로 교 반기의 스틸 비디오 프레임을 보여준다. 빨간색과 녹색 선은 추적 된 궤적을 나타냅니다 ( 보조 비디오 S1 및 S2참조). 회전 속도는 그림 7과 같이 방향 변경 속도 (φ, 그림 3)에 의해 결정 될 수 있습니다. 100 층 및 200 층 카 탈 라 제도 핑 된 마이크로 교 반기의 비교는 60 ± 6rpm에서 100 ± 10rpm 까지의 회전 속도 ~ 0.6 배의 뚜렷한 증가를 보여준다.
그림 1: 원하는 위치에서 교 반기 스 캐 폴드에 내장 된 물과 산소로 과산화 수소의 촉매 분해의 개략도 (적색으로 표시). 이 제품의 산소 기포는 교 반기 이동에 필요한 추진력을 제공 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 젯 팅 장치에서 RSF의 액 적 형성의 타임 랩 스 이미지 (노즐 지름 80 µm). 이미지 아래의 숫자는 실크 잉크 방울의 젯 팅의 개시 이후 마이크로초 (µs)에서 경과 시간을 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: 두 개의 연속적인 프레임에 걸친 파티클 추적의 도식 적 표현 A와 B는 추적점을 나타내고 C는 질량 중심을 나타냅니다. φ 방향의 각도를 나타냅니다. SPMS 궤적 방향은 구부러진 검은색 화살표로 표시 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
도 4: 세척 전에 갓 RIJ 인쇄 된 마이크로 교 반기 (100 층)의 광 현미경 사진. 적색 박스는 카 탈 아 제도 핑 영역 (엔진 영역)을 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5: 기포 방출로 인해 모 공이 형성 된 후 본체와 카 탈 레 아 제의 SEM 이미지. 모 공은 산소 버블 방출에서 발생 하는 SPMSs의 SEM 이미지에서 엔진 표면에서 명확 하 게 볼 수 있습니다. (A) 실크 마이크로 교 반기에 노출 되기 전에 5% w/w 2 연료 용액. (B) 실크 spms에 노출 된 후 5% w/v 2연료 용액 . 오른쪽에 있는 이미지는 빨간색 영역의 확대. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6: 시간 경과에 따른 궤적을 보여주는 5% 연료 용액에 2 개의 마이크로 교 반기가 있는 비디오 프레임. (A) 100 레이어 마이크로 교 반기. (B) 200-레이어 마이크로 교 반기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 7:100 층 (60 ± 6rpm) 및 200 레이어 (100 ± 10rpm) 마이크로 교 반기에 대 한 방향 각 (φ) 비교 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
보조 비디오 S1: 대표적인 100 레이어 셀프 motile 5%의 마이크로 교 반기 (v/H) 2 오 2 추진 하 고 있습니다. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.
보조 비디오 S2: 대표적인 200 레이어 셀프 motile 마이크로 교 반기 (5%)/v H 2 오 2 추진 하 고 있습니다. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.
Discussion
이 프로토콜에서 생성 되는 SPMSs의 핵심 특징은 카 탈 라 제와 같은 효소로도 핑 된 실크의 RIJ를 통해 다양 한 모양과 구조를 빠르고 쉽게 설계 하 고 버블 추진5를 통해 화학적으로 구동 되는 모션을 달성 하는 기능입니다. 이는 높은 생체 적합성과 함께 이러한 교 반기 (18 )는 의료 진단 장치에 대 한 실험실 온-칩 응용 프로그램 뿐만 아니라 물 정화 문제 모두에 대 한 미래의 응용 프로그램에 매우 바람직 할 수 있습니다.
여기서, 추진 능력은 도 1에 도시 된 바와 같이, 그것의 측면에 인쇄 된 엔진 부품과 간단한 라인 디자인을 활용 하 여 입증 된다. 적색 점은 촉매 활성 카 탈 아 제도 핑 된 엔진 부를 나타내고 청색 점은 비활성 부분을 나타낸다. RIJ를 통해 3D 모양을 생성할 수 있으려면 z 축 높이를 생성 하기 위해 여러 레이어를 인쇄 해야 합니다. 여기서, Si 웨이퍼 상에 증 착 된 층의 수는 100 및 200 이었다. 층의 수를 변화시 킴으로써, 물질의 양을 2 배로 입금 하는 것에 필적 하는 추진 속도/회전의 차이를 찾을 수 있다. 잉크젯 인쇄 중에 잘 정의 된 구조를 위해서는 그림 2와 같이 잘 정의 된 액 적을 달성 하기 위해 올바른 젯 팅 파라미터가 선택 되는 것이 중요 합니다. 이러한 매개 변수는 사용 되는 잉크 및 젯 팅 장치에 따라 달라 집니다. 잉크가 안정적인 방울을 생성 하지 않으면 잉크가 인쇄에 더 이상 적합 하지 않을 가능성이 가장 높은 젤로 전환 하기 시작 합니다. 해상도 제한은 사용 되는 노즐의 크기에 따라 달라 지 며, 더 작은 노즐은 더 높은 분해능과 더 작은 구조/입자가 인쇄 될 수 있도록 하는 것이 중요 합니다.
RIJ 프린트 실크 교 반기의 예가 도 4에 도시 되어 있으며, 여기서 카 탈 라 제도 핑 된 엔진 부 (적색 표시 영역에 의해 지시 됨)가 본체의 측면에 부착 된 것을 알 수 있다 (자세한 내용은도 1 에서 개략적으로 참조). 상기 인쇄 된 실크 스 캐 폴드는 전체 3D 구조에 걸쳐 연료 용액이 확산 되도록 허용 하는 물질로 서, 이렇게 산소 기포가 카 탈 라 아 제를 통해 과산화 수소의 분해 동안 형성 된다. 방출 되는 산소 기포는 h2o 2 연료에 노출 되기 전에 SEM 마이크로 그래프를 비교 하 여 알 수 있듯이 실크 스 캐 폴드 구조에서미크론 규모 의 기공을 생성 하 고 (도 5a)및 h2o2 노출 후 ( 도 5B). 운동이 H2400의 방출을 통해 구동 되는 h2o2 연료의분해로 인 한 것을 보장 하기 위해, 교 반기가 처음에는 적어도 10 분의 기간 동안 물에 침 지 하 고 DI에서 시험 되는 것이 중요 합니다 연료 솔루션에서 추진 전에 표면 장력 운동을 위한 물.
PEG400 의 사용은 이전에 그레고리에 의해 설명 된 대로 실크 표면 (19 )에서 기포의 더 나은 방출을 허용 하지만 또한 표면 장력 구동 추진에 상승을 줄 수 있다,이는 응용 프로그램에 따라 바람직 할 수 있다 이전에 설명 된20. 이 두 번째 메커니즘은 또한 시간에 의존 하 고 예를 들어 초기 격렬 한 교 반을 기대 하는 특정 응용 프로그램에 대 한 유리할 수 있는 두 가지 메커니즘으로 SPMSs를 생산 하는 기회를 제공 하는 것은 더 느린 계속 후 시작 연장 된 시간 동안 교 반20.
결론적으로, RIJ를 사용 하 여 자율 식 자체 추진 장치를 생산 함으로써 광범위 한 모양과 크기를 쉽게 설계 하 고 인쇄할 수 있습니다. 실크 장치에 대 한 기본 재료로 서 쉽게 이러한 장치에 기능을 추가 할 수 있는 가능성을 제공 하는 구조에 효소와 다른 모이 어 티를 캡슐화 할 수 있는 기회를 제공 합니다.
Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
저자는 EPSRC via X에서 지 원하는 것을 인정 하 고 싶습니다. 자오의 실크 재료 상 (EP/N007174 및 EP/N023579), s. j. Ebbens 경력 가속 펠로 우 쉽 및 헬스케어 기술 영향 원정대의 반응성 잉크젯 인쇄 1 및 EP/N033736). 저자는 또한 실크 cocoons를 제공 하기 위한 중국 남서부 대학, 누에 유 게놈 생물학의 국가 키 연구소에서 칭 킹 박사에 감사 드립니다.
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
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