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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |