הדפסת הזרקת דיו וניתוח הנעה של משי מבוסס עצמית הנעה מיקרו-שטירים

Chemistry
 

Summary

פרוטוקול זה מדגים את היכולת להשתמש בהדפסת הזרקת דיו תגובתית כדי להדפיס מיקרו-שטירים עצמאיים וידידותיים לסביבה ידידותי לשימוש ביישומים רפואיים וסביבתיים.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Gregory, D. A., Kumar, P., Jimenez-Franco, A., Zhang, Y., Zhang, Y., Ebbens, S. J., Zhao, X. Reactive Inkjet Printing and Propulsion Analysis of Silk-based Self-propelled Micro-stirrers. J. Vis. Exp. (146), e59030, doi:10.3791/59030 (2019).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

במחקר זה, פרוטוקול לשימוש בהדפסת הזרקת דיו מתגובתית כדי להמציא שחייני משי מונעת מבחינה אנזיבית עם צורות מוגדרות היטב מדווחים. המכשירים המתקבלים הם דוגמה של אובייקטים מונעת עצמית המסוגלים ליצור תנועה ללא הגשמה חיצונית יש יישומים פוטנציאליים ברפואה ומדעי הסביבה למגוון מטרות החל מיקרו-ערבוב, ממוקד אספקה טיפולית, לשיקום המים (למשל, ניקוי שפכים). שיטה זו מעסיקה הדפסת הזרקת דיו תגובתי כדי ליצור מבנים מוגדרים היטב בקנה מידה קטן משי מוצק על ידי המרת מסיסים במים המשי פיברובמחדש (משי I) כדי פיברומה משי (משי II). מבנים אלה הם גם מסומם סלקטיבי באזורים ספציפיים עם האנזים קטלאז כדי לייצר תנועה דרך דור בועה וניתוק. מספר השכבות המודפסות קובע את המבנה התלת-ממדי (תלת-ממדי) של ההתקן, ולכן מדווחים השפעת פרמטר זה על מסלולי הפעולה. התוצאות מציגות את היכולת לכוונן את התנועה באמצעות שינוי מימדי המבנים המודפסים.

Introduction

מלאכותית עצמית מונעת מיקרו-שטירים (spmss) להעסיק מגוון של מנגנוני ההנעה לייצר תנועה, אשר ניתן לסווג כמו או הנעה כימית1,2,3,4, מיכל 5 , 6 או הנעה חיצונית פיזית. מנגנון הנעה כימי נפוץ הוא להשתמש בפעילות קטליטי או אנזימטית כדי לייצר תנועה להפקת מעברי צבע או ליצור בועות המניבות מומנטום לאובייקט כאשר הם להתנתק. מחקרים קודמים חקרו מספר spmss קטליטיים וכימיים, כולל מחרוזות פוליסטירן עם חלקיקי פלטינה ו נספחת כרום על פני השטח1, זהב-פלטינה ביתכתיים ביותכתית ננו-מוטות2, מגנזיום יאנוס מיקרו-שטימרים3, מיקרו שטימרים העשויים ליבת מגנזיום ומעטפת טיטניום דו-חמצני עם חלקיקי זהב מוטבעים4, ו פיברובמיקרו-רקטות יאנוס עם קטלאז מוטבע בתוך הגרדום5. מנגנוני הנעה פיזיים כוללים מגנטי7,8, אופטי9, ו אולטרה סאונד10 מערכות הנעה, כולם נשלטים על ידי מקור פיזי חיצוני. בהתאם ליישום מיועד, גודל spms יכול לנוע מתוך כמה ננומטר כדי כמה מאות מיקרומטר. דוגמאות של יישומים פוטנציאליים של אלה כאמור ו-SPMSs אחרים הם אבחון רפואי של מחלות עם מעבדה על שבב המכשירים11, טעינת במסירה vivo ממוקד של therapeutics12, השיקום הסביבתי3 (למשל, שפיכת שמן ניקוי) והשפלה פוטוקטליטית של סוכני לוחמה כימית וביולוגית, כגון פחם בלוס מקרתגו וסוכני עצבים4. מטרת היישום תלויה, ולכן רצוי להיות מסוגל לייצר SPMSs העוברים מסלולים ספציפיים כגון מסלולים ליניאריים ארוכים עבור אתגרי התחבורה או מסלולים הסיבוב עבור יישומים ערבוב מיקרו. המוקד כאן הוא על התנועה בסיבוב עבור יישומים ערבוב.

אין שיטה מבוססת אחת כדי ליצור SPMSs, אבל עבור יישומים רפואיים וסביבתיים, זה חיוני להשתמש בחומר כי הוא biocompatible, מתכלה, ידידותית לסביבה, זמין, זול ומאפשר הייצור הקל של SPMSs מורכבים ללא צורך בציוד מתוחכם. מחדש המשי פיברוב (RSF) הוא אחד החומר הזה המהווה את כל הפרמטרים האלה יחד עם אושר גם על ידי מינהל המזון והתרופות (FDA).

משי הוא מונח גנרי המשמש למספר חלבונים סיבי המתרחשים באופן טבעי, אשר, הידוע ביותר הוא אחד שנעשו על ידי הזחלים של עש משי, Bombyx מורי, לפני התגלמות שלה. הגלמים האלה עשויים מפיברופה, חלבון סיבי, שנתקע יחד עם חלבון אחר הנקרא sericin. משי פיברוב (SF) נמצא יש תכונות מכניות מעולה, biocompatibility, ו biodegradability13, מה שהופך אותו בחירה אידיאלית עבור בדיית SPMSs. SF קיים שלוש צורות פולימריתית, כלומר, משי I, II, ו III. משי I הוא טופס מסיסים במים המכיל בעיקר מסוקים וסלילים אקראיים; משי II הוא טופס לא מסיסים מים המכיל גיליונות β מקבילים בעיקר של משי מגובש; וממשי III הוא מבנה הקודקוד השני משולשת פוליגליצין הקיים בממשק אוויר המים של פתרון המשי. בדומה חלבונים סיבי אחרים, SF יש יחידות חוזרות של רצפי חומצות אמינו. SF המתרחשים באופן טבעי של פקעת מורכב משלושה תחומים העיקריים של ההקאפאפיד של יחידות חוזרות כאלה (GAGAGX), בעוד X יכול להיות, S, או Y. באמצעות כריכת מימן, (GA) n מוטיבים מתוך antiparallel sheet מבנים מחסנית נוספת באמצעות כוחות ואן דר waals וטופס הידרופובי nano crystallizations14,15.

Biocompatibility ניתן לשפר עוד יותר על ידי המבקשים לכונן הנעה באמצעות אנזימים המתרחשים באופן טבעי כדי ליצור ריכוז הדרגתי או בועות גז במדיום נוזלי (דלק). כתוצאה מכך, במחקר זה, האנזים קטלאז משמש "מנוע" כדי ליצור הנעה עם חמצן מימן משמש כמדיום דלק מימית. קטלאז הוא אנזים שנמצא. כמעט בכל האורגניזמים החיים זה מזרז את הפירוק של חמצן מימן (H2O2) למים וחמצן16. שחרורו של בועות חמצן מאתרי האנזים של SPMSs מייצר כוח על האובייקט גורם לו לעבור הנעה בכיוון ההפוך של שחרור בועה5 (איור 1).

בתוך SPMS מונחה מזרז, מיקום שונה של האתר קטליטי תוצאות התנהגות ההנעה שונים מסלולים1. במרדף אחר הפקת מיקרו-שטירים יעילים, לכן, יש צורך להמציא מחדש את הצורות הגיאומטריות המוגדרות היטב ואת עמדות המנועים ולהשוות את הכוחות השונים של המנגנון. כאן, כדי להקל על החקירות האלה, זה מתואר כיצד מחדש מחדש פיברובspmss מיוצרים בקנה מידה מילימטר באמצעות הדפסת הזרקת דיו התגובתית (RIJ) טכנולוגיה. הדפסת הזרקת דיו היא שיטה שאינה יצירת קשר לצורך הפקדת החומרים. זה הופך את הייצור של מבנים מורכבים קטנים עם דיוק גבוה ביצירת צורות שונות ישיר. RIJ מתרחש כאשר שני או יותר חומרים מגיבים שונים מופקד ולהגיב על מצע לייצר את החומר הרצוי המוצר. לכן, SPMSs הודפס עם אחד קטליטי מרכז האתר מחוץ למרכז נותן את האובייקט סימטריה כי התוצאות תנועה בסיבוב. גישה זו גם הופכת אותו פשוט לייצור מיקרו-שטירים במגוון צורות ותצורות עיצוב המוגדרות על-ידי תכנון בעזרת מחשב (CAD), ובכך מאפשרת ישור קלה ומדויקת יותר על התנועה הרצויה במהלך הפעולה המעשית יישומים. לבסוף, את היכולת של הדפסת התקנים עם עובי משתנה שמוצג תכונות הנעה שונות מומחש.

מחקר זה מספק תוכנית לייצור spmss עם RSF ב מיקרומטר לסולם מילימטר. השימוש בטכנולוגיית RIJ לייצור מיקרו שטירים RSF פותח את הדלת עבור ייצור תכליתי מאוד של מיקרו שטירים מחומרים כגון באתרו המיוצר פיגומים או הידרוג'לים, אשר אינם מסוגלים אחרת להיות מופקד או מפוברק דרך אמצעים אחרים כגון התאיידות. לאחר הפונקציונליות הנוספת המתאימה (למשל, אנזימים), SPMSs אלה יכולים להיות מתאימים לשיקום סביבתי3, כגון ניקוי רעלים ביולוגיים, מזהמים אורגניים, וסוכני לוחמה כימית וביולוגית4.

Protocol

זהירות: נא להתייעץ עם גליונות נתונים רלוונטיים בטיחות חומרים לפני שימוש בחמצן מימן, נתרן קרבונט, אתנול, סידן כלוריד, ו מתנול. הקפידו ללבוש את כל ציוד ההגנה האישי המתאים, כולל בקרת ההנדסה בעת טיפול בכימיקלים המשמשים בפרוטוקול זה.

1. הפקת פיברומין

  1. חותכים 5 גרם של כדור משי מנוקה לתוך ~ 1 ס מ2 חתיכות קטנות באמצעות מספריים.
  2. מרתיחים 2 ליטר של מים (DI) בגביע 2 L על צלחת חמה מגנטית תחת כיסוי החילוץ.
  3. הוסף 4.24 g של נתרן קרבונט בהדרגה לאט לתוך המים רותחים כדי להימנע רותחים מעל ולתת לו להתמוסס בעזרת בר מגנטי מעורר.
  4. המתן עד שהפתרון מתחיל לרתוח שוב ולהוסיף את חתיכות החיתוך של הגלמים לתוך הפתרון. ודא כי כל המשי הוא שקוע בפתרון ולשמור את הפתרון רותח תחת ערבוב קבוע עבור 90 דקות. לכסות את הגביע בקלילות עם רדיד אלומיניום ומעלה עם מים DI מחומם באופן קבוע כדי לחדש את אובדן המים עקב אידוי.

2. ייבוש בפיברומין

  1. הסירו את הסיבים המחולצים מתמיסת הנתרן קרבונט עם מוט זכוכית או מרית ושטוף 3x עם 1 L של מים מחומם מראש עבור כל כביסה, בהדרגה להקטין את הטמפרטורה עבור כל צעד כביסה (כ 60 ° c, 40 ° c, וטמפרטורת החדר, 25 ° C).
  2. מורחים את הפיברובסיבים על 750 mL בורוסיליקט זכוכית התגבש צלחת ומניחים אותו לתוך תנור ייבוש ב 60 ° c תחת לחץ אטמוספרי ולצאת יבש בן לילה. לאחר ייבוש, לאחסן את הפיברוזה במיכל סגור בטמפרטורת החדר.

3. פירוק פיברומין

  1. להכין פתרון טרנארי (הכימית של ליסאווה) המכיל 4.8 g של מים DI, 3.7 g של אתנול, ו 3.1 g של סידן כלוריד17.
  2. מניחים בקבוקון שני הצוואר התחתון (100 mL) לתוך אמבט מים, שנעשו על ידי מילוי 750 mL בורוסיליקט זכוכית התגבש צלחת עם 600 mL של מים DI, על גבי צלחת חם מגנטי. מקם את הפתרון הטרנארי בתוך הבקבוקון.
  3. מניחים מדחום באחד הצוואר כדי לפקח על טמפרטורת הפתרון במדויק. לכסות את הצוואר השני עם רדיד אלומיניום כדי למנוע ייבוש מתוך הפתרון בשל אידוי (או להשתמש המנוע מקורר מים). מחממים את התמיסה ל80 ° c.
    הערה: ודא כי הנורה של מד החום נמצא בתוך הפתרון.
  4. כאשר טמפרטורת הפתרון יציבה ב-80 ° c, מסירים את רדיד האלומיניום ומוסיפים 1 גרם לתמיסה מיובשת. הוסף בר קטן מגנטי לערבב כדי להבטיח כי הפתרון מעורב היטב לאורך תהליך הפירוק. לכסות את הצוואר השני שוב עם רדיד אלומיניום כדי למזער אידוי אבל לשמור על המערכת פתוח. השאר להתמוסס עבור 90 דקות.

4. מענה דיאליזה לתמיסה

  1. לאחר 90 דקות של פירוק, להשאיר את הפתרון הפיברוב 10 דקות כדי להתקרר לטמפרטורת החדר.
  2. קח 1 15 ס מ שפופרת דיאליזה ארוכה (משקל מולקולרי לגזור-off 12000 ל14000 kDa) ולקשור קשר באחד משני הקצוות. רוחצים אותו לכמה דקות עם הפעלת מיים די מהברז.
  3. פתחו את הקצה השני ושופכים את התמיסה הפיברובית פנימה. בעזרת מהדק מתכת, סגרו את הקצה השני של צינור הדיאליזה ומבטיחים שהצינור סגור בחוזקה האפשרית. הצמד את אחד מקצות צינור הדיאליזה דרך כובע בורג לתוך מבחנה ריקה של 30 מ ל כדי לאפשר את שפופרת הדיאליזה לצוף במים.
  4. מלאו כימית 2 l עם 2 ליטר של מים ומניחים את צינור הדיאליזה בתוכו. מחליפים את המים במרווחי זמן קבועים. בדוק את המוליכות של המים בכל פעם שהוא משתנה כדי לעקוב אחר תהליך הדיאליזה. שלב הדיאליזה מסיים לאחר מוליכות המים הוא מתחת 10 μS/cm.
    הערה: תהליך זה מתבצע בדרך כלל 24 עד 36 שינויים עם 5 שינויי מים.
  5. לאחר דיאליזה הושלמה, לחתוך קצה אחד של צינור הדיאליזה עם מספריים ויוצקים את הפתרון לסדרה של 1.5 mL צינורות. אז, צנטריפוגה עבור 5 דקות ב 16,000 x g כדי להסיר את כל החלקיקים בתוך התמיסה הפיברובגית. לאסוף את supernatant בבקבוקון 30 מ ל פלסטיק ולאחסן אותו ב 4 ° c.

5. קביעת ריכוז פתרון RSF

  1. שוקלים שקופית זכוכית נקייה (W1). הוסף 200 μL של פתרון משי (V1).
  2. השאירו את הזכוכית מחליקה בתנור בגובה 60 ° c.
  3. שוקלים שוב את שקופית הזכוכית (W2).
  4. חישוב הריכוז של פתרון המשי (w/v) באמצעות הנוסחה הבאה:
    Equation 1

6. הכנת צבעי דיו להדפסה

  1. הכן דיו (כרך הסופי 1.5 mL) על ידי ערבוב של פתרון פיברוב (40 mg/mL), פוליאתילן גליקול 400 (יתד400; 14 מ"ג/ml) ומים מיומים להדפסת הגוף העיקרי של SPMSs.
  2. להדפסת המנוע הקטליטי של SPMSs, לערבב פיברומין (40 mg/mL), יתד400 (12 מ"ג/ml), קטלאז (6 מ"ג/ml עם פעילות קטליטי של > 20000 יחידות/mg) ו מים מיולים לעשות 1.5 mL של דיו B.
  3. הכינו 1.5 mL של דיו C על ידי המסת Coomassie כחול מבריק (0.05 mg/mL) ב מתנול.
    הערה: מתנול משמש להמרת סלילים אקראיים יריעות ביתא קשיח על ידי הדפסת דיו C על גבי דיו A או דיו B. Coomassie כחול מבריק משמש כדי לספק צבע מנוגד של SPMSs כדי לסייע מעקב אוטומטי של SPMSs במהלך ההנעה.

7. הדפסת תלת-ממד של הזרקת דיו

הערה: מדפסת הזרקת הדיו המשמשת בניסויים אלה מבוססת על התקנים מבוססי מאוד של piezo עם חרירי זכוכית. קיימות מספר מדפסות הזרקת דיו זמינות מסחרית עבור מחקר שיכולות לשכפל פונקציות אלה.

  1. השתמש בהתקני הדפסה עם קוטר החרירים 80 יקרומטר להדפסת צבעי הדפוס על מצע סיליקון הממוקם על הבמה במרחק עבודה בין הזרבובית והמצע ה-Si-וופל של כ-5 מ"מ. הצורות הגיאומטריות של SPMSs מוגדרות דיגיטלית כסדרה של נקודות קואורדינטות X-Y בקובץ גיליון אלקטרוני.
    הערה: המדפסת קוראת את הקואורדינטות באופן סדרתי ומפעילה את המדפסת בהתאם. כל נקודת מתאם הופכת את מטוס המדפסת פעם אחת באמצעות התקן ההדפסה. קבצי גיליון אלקטרוני נפרדים נוצרים עבור סוגי דיו A ו-B (ראה קבצים משלימים [הגוף הראשי של spms. xlsx ומנוע spms. xlsx]).
  2. טען את שלושת סוגי הדיו (A, B ו-C) לתוך שלושה מאגרים (1.5 mL כל אחד) ולאחר מכן להתאים את הלחץ על הרקע באמצעות שסתום הלחץ הרקע עבור כל ערוץ בודד כדי להבטיח את הדיו אינו נוטף התקנים מסוימים.
    הערה: יש צורך בשלושה התקנים מסוימים בערוצים עצמאיים.
  3. להתאים את הפרמטרים לסדר (זמן לקום 1, לשכון זמן, זמן הסתיו, זמן הסביבה, לעלות זמן 2, מתח סרק, לשכון מתח, הד מתח) עבור כל ערוץ כדי להבטיח כי כל דיו נותן היווצרות הטוב של droplet יציב (איור 2).
    הערה: פרמטרים אלה הם בעלי התקן מוכן לתלויות בדיו ויהיה צורך להתאימו בהתאם.
  4. הדפס את מגוון המשי בשכבת הדיו המתנול על מצעים מלוטשים מלוטש מסוג סי-וופל: שלב 1, הדפסת דיו A (גוף ראשי); שלב 2: הדפסת דיו C (ריפוי דיו); שלב 3: הדפסת דיו B (דיו קטליטי עבור אתרי מנועים); שלב 4: הדפסת דיו C (ריפוי דיו); שלב 5: חזור על שלבים 1-4 עבור השכבות הרצויות הנדרשות (לדוגמה, 100).
    הערה: שני עיצובים לדוגמה עבור 4 השלבים נכללים קבצים משלימים; הגוף הראשי SPMS. xlsx משמש לשלב 1 ולשלב 2 ומנוע SPMS. xlsx משמש לשלב 3 ולשלב 4.
  5. הדפס שתי אצוות של פיברוב SPMSs עם 200 שכבות ו 100 עובי שכבות, בהתאמה.
    הערה: מנוע הקטלאז ממוקם בצד של קצה אחד של כל מערבב. לפיכך, לניצנים יש מנוע קטליטי אחד (ראה איור 1 אזור אדום).
  6. כדי להסיר את הדגימות מהקונדיטוריה, לטבול דגימות במים DI ומתפרעים בעדינות עד התנתקות מתרחשת.

8. הקניית נתונים/מעקב וניתוח מסלול של שרירים עצמיים מתהלכים

  1. לנקות צלחת פטרי (9 ס מ קוטר) עם מים די להבטיח כי פני השטח הוא אבק חופשי.
  2. לאחר ניקוי יבש, להוסיף 10 מ ל מסונן מראש (0.45 μm) 5% w/v H2O2 לתוך צלחת פטרי ולעזוב להתיישב. הדליקו את החלק התחתון של צלחת הפטרי עם מקור אור מגניב דיודות פולטות אור (LED) ולהשתמש במצלמה במהירות גבוהה עם עדשת זום מאקרו כדי ללכוד את התנועה מלמעלה. שמור סרטי וידאו כקבצי avi.
    הערה: ראו טבלת חומרים לקבלת פרטים על הציוד שבשימוש.
  3. לשטוף את שרירים משי מודפס עבור 10 דקות על ידי שוקע יזוג אותם במים DI כדי להסיר כל מאוגד פג400. לקחת בזהירות מערבב שטוף אחד עם קצה של מחט מזרק סטרילי ולמקם אותו במרכז צלחת פטרי. כאשר שטף שוטפים נוגע H2O2 דלק, בועות להתחיל להרכיב סביב המנוע תנועה מעגלית של שטירר הוא נצפתה. כאשר המערכת מופיעה במצב יציב (בדרך כלל 10- 30 מאוחר יותר), הקש על הרשומה בתוכנת ההקלטה כדי להתחיל בלכידת הווידאו.
  4. בצע מעקב אחר המיקרו-מיקרו-מסגרות על מסגרת על בסיס מסגרת, מעקב אחר כל קצה של שרימרים כפי שצוין על ידי נקודות A ו-B באיור 3.
    הערה: ניתן לעשות זאת באופן ידני או בעזרת תוכנת מעקב.
  5. מתוך נתוני מעקב שהתקבלו, לחשב את המהירות הנקודתית בין שתי מסגרות רצופות (למשל, 1 ו-2) באמצעות המשוואה להלן ובממוצע המהירויות כתוצאה מן הרצף כולו כדי לקבל את מהירות מיידית משמעות.
  6. בנוסף לכך, לחשב את זווית האוריינטציה φ. לאחר מכן השתמש בקצב השינוי של φ כדי לקבוע את מהירות הסיבוב (איור 3).
    Equation 2
    הערה: בעת חישוב מהירויות מיידי מנתוני תמונה מסומנים, חשוב שהתמונה הראשונית של אובייקט עם ממדים ידועים תהיה מסוגלת לחשב פיקסלים נכונים לערכי מיקרומטר. ערכים אלה יהיו תלויים במצלמה, במטרה ובמרחק שבשימוש. בהתאם לסוג החלקיק המודפס, בחר נקודות מעקב שונות לחישוב המהירות. לדוגמה, כאן מעקב אחר נקודות A, B ו-C (מרכז המסה) משמשות לקביעת מהירויות מיידי (איור 3).

9. אפיון של הספמ ע י SEM

  1. הסרת SPMSs בשימוש ובשימוש מתוך מענה Si-וופל או בצובר ולהעביר אותם אל 10 מילימטר רחב פחמן דביק רפידות מותקן על אלומיניום לסרוק מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) קצרמר. מייבשים את הדגימות בתנור ייבוש במשך 10 דקות ב 60 ° c.
  2. לטעון את הספחים לדוגמה לשלב הקואטר. מעיל sputter (פלזמה ארגון בשעה 0.05 Torr) 50 – 100 ננומטר של זהב על הדגימות, להבטיח כיסוי משטח הומוגנית זהב של המדגם.
  3. להסיר את הנתונים לדוגמה מן coater אטר והתמונה ב-SEM תחת ואקום ב 5.0 kV.
    הערה: מתח האצה גבוה מאוד יכול לצרוב את המשי ולתת תכונות שווא.

Representative Results

לאחר הרתיחה את המשי, הוא צפוי כי הסיבים היבשים הם סביב המצית השלישי אחד מבעבר, המציין את ההסרה המוצלחת של sericin. במהלך פירוק המשי באגסאווה של לימור, הסיבים צריכים להיות מומס לחלוטין, ויש לשחזר נוזל צמיגי צהוב. לאחר דיאליזה, הפתרון משי צריך להיות פחות צמיגי אבל עדיין להראות צבע צהוב מעט. אם המשי הפך ג'ל, זה מעיד כי פירוק לא נעשה בהצלחה.

טיפות יציבות שנוצרו מן המכשירים הגבוהים יאפשר הגדרה גבוהה יותר של דגימות המודפס. איור 2 מראה דוגמה של droplet אחת יציבה כדי להעניק תוצאות הדפסה טובות כגון מופעי המשי המודפסים המוצגים באיור 4. זה נורמלי, תלוי כמה הדיו הוא צמיגי, כי התפשטות מתרחשת על מצע.

בהתאם למדפסות הזרקת הדיו המשמשות ולגודל ה-droplet, המרחק בין כל droplet מודפס צריך להיות מותאם באופן שחופף ליצירת קווים מחוברים. אם הטיפות רחוקות מדי, המבנה המודפס יתפרק. בנוסף לכך, אם לא מספיק שכבות מודפסות, יש סיכוי של שבירת מיקרו-שוברים כאשר מניחים לתוך פתרון הדלק. ברגע שהתרנרים כבר הוסרו את המצע ושטף, הצבת אותם לתוך הפתרון הדלק מימן חמצן צריך באופן מיידי לגרום בועות נוצר. שיעור ההצלחה של שחרור בועה טובה תלוי באופן חזק בפעילות האנזים; אם פעילות האנזים הוא נמוך, פחות בועות יהיה ליצור ובכך מוביל תוצאות ההנעה עניים. איור 5 מראה כיצד המבנה פני השטח של הניצנים משתנה בשל בועות שפורסמו מן המבנים הפנימיים היוצרים נקבוביות קטנות. מיקרו שטירר מוצלח ייראה דומה לאלה שניתן לראות באיור 6 ואת שני קטעי וידאו משלימים S1 ו- S2 בהתאמה.

איור 6 מראה עדיין מסגרות וידאו של שני נציגים, 100-Layer (איור 6a) ו 200-שכבה (איור 6a) מיקרו שטימרים ב 5% H2או2 דלק. הקווים האדומים והירוקים מציינים את מסלולי המעקב (ראה סרטונים משלימים S1 ו- S2). ניתן לקבוע את המהירות המסתובבת לפי קצב השינוי באוריינטציה (ɸ, איור 3) כמוצג באיור 7. השוואה של 100-שכבה ו 200-שכבה קטלאז מסומם מיקרו שטירים מראה עלייה ייחודית במהירות הסיבוב של ~ 0.6 קיפול מ 60 ± 6 סל ד כדי 100 ± 10 סל ד (איור 7).

Figure 1
איור 1: אילוסטרציה סכמטית של התמוטטות הקטליטית של תחמוצת המימן למים וחמצן על ידי קטלאז המוטבעים בפיגום המערבב במיקומים הרצויים (המוצג באדום). בועות החמצן של המוצר מספקות את ההנעה הדרושה להזזת הטירר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: הזמן לשגות תמונות של היווצרות droplet של RSF מן המכשיר נכנסת (בקוטר הזרבובית 80 μm). המספרים שמתחת לתמונות מייצגים את הזמן שחלף, במיקרו-שניות (μs), מאז החניכה של הדיו המשי droplet. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: ייצוג סכמטי של מעקב אחר חלקיקים על פני שתי מסגרות רצופות. A ו-B מציינים נקודות מעקב ו-C מציין את מרכז המסה. φ מציין את זווית האוריינטציה. כיוון מסלול SPMS מצוין על-ידי החץ השחור המעוקל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: מיקרוגרף אור של RIJ המודפס מיקרו-שטירר טרי (100 שכבות) לפני הכביסה. התיבה האדומה מציינת אזור מסומם (אזור מנוע). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: התמונות SEM של הגוף העיקרי ו קטלאז חלק מנוע של SPMS לאחר הנקבוביות נוצרות בשל שחרור בועה. נקבוביות ניתן לראות בבירור על פני המנוע בתמונות SEM של SPMSs שמקורם בועת החמצן שחרור. (A) משי מיקרו שטימרים לפני החשיפה 5% w/vH 2 O2 הדלק פתרון. (ב) המשי spms לאחר החשיפה 5% w/v H2O2 הפתרון דלק. תמונות מימין הן הגדלות של האזורים האדומים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: מסגרות וידאו של שני מיקרו-שטירים ב 5% דלק פתרון מראה את המסלול לאורך זמן. (א) 100-שכבה מיקרו-מיקרורידרים. (ב) 200-שכבה מיקרו-מיקרורידרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7: השוואה של זווית הכיוון (φ) עבור 100-שכבה (60 ± 6 rpm) ו 200-שכבה (100 ± 10 סל ד) מיקרו שרימרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

וידאו משלים S1: נציג 100-שכבה עצמית מיקרו-מיקרוטירר במיקרו-שכבות ב 5% w/v H מיכל השני O מיכל השני . שעוברת הנעה אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

וידאו משלים S2: נציג 200-שכבה self-motile מיקרו-שטירר ב 5% w/v H מיכל השני O מיכל השני . שעוברת הנעה אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

תכונה מפתח של SPMSs המיוצר בפרוטוקול זה היא היכולת לעצב במהירות ובקלות צורות שונות ומבנים באמצעות RIJ של משי מסומם עם אנזימים כגון קטלאז ולהשיג תנועה מונחה כימית באמצעות הנעה בועה5. זה יחד עם ביולוגית גבוהה18 של שטירים אלה עושה אותם מאוד נחשק עבור יישומים עתידיים עבור שני אתגרים לשיקום מים, כמו גם עבור יישומים מעבדה על שבב עבור התקני אבחון רפואי.

כאן, יכולת ההנעה מוכחת על ידי ניצול עיצוב קו פשוט עם חלק מנוע מודפס לצד זה כפי שמוצג באיור 1. הנקודות האדומות מייצגות את החלקים הפעילים של הקטר המופעל באופן מהיר והנקודות הכחולות מייצגות את החלקים הלא פעילים. כדי שתוכל ליצור צורות תלת-ממד באמצעות RIJ, יש צורך להדפיס שכבות מרובות כדי ליצור גובה של צירי z. כאן, מספר השכבות שהופקדו על. סי-וופל היו 100 ו-200 על ידי שינוי מספר שכבות, הבדל מהירות ההנעה/סיבוב דומה הפקדת כפול כמות החומר ניתן למצוא. על מנת לקבל מבנים מוגדרים היטב במהלך הדפסת הזרקת דיו, חשוב כי הפרמטרים הנכונים שנבחרו על מנת להשיג droplet מוגדר היטב כפי שמוצג באיור 2. פרמטרים אלה ישתנו בהתאם לדיו המשמש ולהתקנים המשמשים להתאמה. אם הדיו אינו מייצר טיפות יציבות, אז סביר להניח שהדיו אינו מתאים יותר להדפסה וקרוב לוודאי שמתחיל להפוך ל-gel. חשוב לציין שמגבלת הרזולוציה תלויה בגודל החרירים בשימוש, והחרירים הקטנים יותר מאפשרים רזולוציה גבוהה יותר ומבנים/חלקיקים קטנים יותר המודפסים.

דוגמה של RIJ שטימת משי מודפס מוצג באיור 4, שבו חלק המנוע הקטאז מסומם (כפי שמצוין על ידי האזור המסומן אדום) ניתן לראות מצורף לצד של הגוף הראשי (גם לראות את התרשים באיור 1 לפרטים). הפיגום משי מודפס הוא חומר המאפשר פתרון הדלק לפזר ברחבי מבנה תלת-ממד כולו, ולכן בועות חמצן נוצרות במהלך התפרקות של מי חמצן באמצעות קטלאז. בועות החמצן להשתחרר ליצור נקבוביות מיקרון בקנה מידה במבנה הפיגום משי כפי שניתן לראות על ידי השוואת מיקרוגרפים SEM לפני החשיפה H2o2 דלק (איור 5a) ואחרי החשיפה h2o2 ( איור 5B). על מנת להבטיח כי התנועה נובעת התפרקות של H2O2 דלק אבל לא מתח פני השטח מונע באמצעות שחרורו של יתד400, חשוב כי שטימרים הם שקועים בתחילה במים לתקופה של לפחות 10 דקות ונבדק ב-DI מים לתנועה מתח פני השטח לפני ההנעה בפתרון הדלק.

השימוש ב-יתד400 מאפשר שחרור טוב יותר של בועות מפני השטח משי19 כפי שהוסבר בעבר על ידי גרגורי et al.5 אבל יכול גם להצמיח מתח פני השטח מונחה ההנעה, אשר עשוי להיות רצוי בהתאם ליישום כמו תיאר בעבר20. המנגנון השני הזה גם נותן את ההזדמנות לייצר SPMSs עם שני מנגנונים כי הם תלויים זמן והוא יכול להיות יתרון עבור יישומים מסוימים שהיה למשל לצפות הראשונית ערבוב נמרץ בתחילת ואחריו המשיך לאט יותר ערבוב לפרקי זמן ארוכים של20.

לסיכום, באמצעות RIJ לייצר התקנים עצמאיים הנעה עצמית, מגוון רחב של צורות וגדלים ניתן לעצב ולהדפיס בקלות. משי כחומר בסיס עבור המכשירים מעניק הזדמנויות לכמס בקלות אנזימים וmoieties אחרים לתוך המבנים הנותנים את האפשרות להוסיף פונקציות למכשירים אלה.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

המחברים רוצים לאשר את התמיכה של EPSRC באמצעות הדפסת הזרקת דיו התגובתית של X זאו של חומרים משי (EP/N007174/1 ו-EP/N023579/1), S. J. Ebbens האצת קריירה מלגת, ובריאות ההשפעה טכנולוגיה מלגת (EP/J002402/ 1 ו-EP/N033736/1). המחברים גם להודות ד ר Qingyou Xia מתוך המעבדה מפתח המדינה של ביולוגיה של הגנום המשי בביולוגיה, האוניברסיטה הדרום-מערבית, סין לאספקת מקוכי משי.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Paxton, W. F., et al. Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods. Journal of the American Chemical Society. 126, (41), 13424-13431 (2004).
  3. Gao, W., et al. Seawater-driven magnesium based Janus micromotors for environmental remediation. Nanoscale. 5, (11), 4696-4700 (2013).
  4. Li, J., et al. Water-Driven Micromotors for Rapid Photocatalytic Degradation of Biological and Chemical Warfare Agents. ACS Nano. 8, (11), 11118-11125 (2014).
  5. 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).
  6. Ismagilov, R. F., Schwartz, A., Bowden, N., Whitesides, G. M. Autonomous movement and self-assembly. Angewandte Chemie-International Edition. 41, (4), 652-654 (2002).
  7. Li, T., et al. Highly Efficient Freestyle Magnetic Nanoswimmer. Nano Letters. 17, (8), 5092-5098 (2017).
  8. 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).
  9. Xuan, M., et al. Near Infrared Light-Powered Janus Mesoporous Silica Nanoparticle Motors. Journal of the American Chemical Society. 138, (20), 6492-6497 (2016).
  10. Garcia-Gradilla, V., et al. Functionalized ultrasound-propelled magnetically guided nanomotors: toward practical biomedical applications. ACS Nano. 7, (10), 9232-9240 (2013).
  11. Baraban, L., et al. Catalytic Janus Motors on Microfluidic Chip: Deterministic Motion for Targeted Cargo Delivery. ACS Nano. 6, (4), 3383-3389 (2012).
  12. Ghalanbor, Z., Marashi, S. -A., Ranjbar, B. Nanotechnology helps medicine: Nanoscale swimmers and their future applications. Medical Hypotheses. 65, (1), 198-199 (2005).
  13. Lu, Q., et al. Water-Insoluble Silk Films with Silk I Structure. Acta Biomaterialia. 6, (4), 1380-1387 (2010).
  14. Wilson, D., Valluzzi, R., Kaplan, D. Conformational Transitions in Model Silk Peptides. Biophysical Journal. 78, (5), 2690-2701 (2000).
  15. Fink, T. D., Zha, R. H. Silk and Silk-Like Supramolecular Materials. Macromolecular Rapid Communications. 0, (0), 1700834 (2018).
  16. 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).
  17. Ajisawa, A. Dissolution of silk fibroin with calciumchloride/ethanol aqueous solution. Journal of Sericultural Science of Japan. 67, (2), 91-94 (1998).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Zhang, Y., et al. Reactive Inkjet Printing of Functional Silk Stirrers for Enhanced Mixing and Sensing. Small. e1804213 (2018).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics