실크 기반 자기 추진 마이크로 교 반기에 대 한 반응성 잉크젯 프린팅 및 추진 분석

Chemistry
 

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.

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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).

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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

  1. 세척 된 실크 고치 5g을가 위를 사용 하 여 약 1cm2 작은 조각으로 자릅니다.
  2. 추출 후드 아래에 있는 마그네틱 열판에 2l 비 커에 2 L의 탈 이온 수를 끓 이세요.
  3. 끓는 물에 서서히 탄산 나트륨 4.24 g을 넣고 끓는 물을 넣고 자기 교 반 바의 도움으로 용 해 시킵니다.
  4. 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

  1. 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).
  2. 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

  1. 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. 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.
  3. 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.
  4. 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

  1. 용 해 90 분 후, 피 브로 인 용액을 10 분간 방치 하 여 실 온까지 냉각 시켰다.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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

  1. 깨끗 한 유리 슬라이드 (W1)를 계량 합니다. 200 µ L의 실크 용액 (V1)을 추가 합니다.
  2. 유리 슬라이드를 오븐에서 2 시간 동안 60 ° c로 두십시오.
  3. 유리 슬라이드를 다시 무게 (W2).
  4. 다음 공식을 사용 하 여 실크 용액 (w/v)의 농도를 계산 합니다.
    Equation 1

6. 인쇄용 잉크의 제조

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.

  1. 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).
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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).
  6. 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

  1. 유리 페 트리 접시 (직경 9cm)를 DI water로 청소 하 여 표면이 먼지가 없는 것을 보장 합니다.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 또한, 방향 φ의 각도를 계산 합니다. 그런 다음 φ의 변화율을 사용 하 여 회전 속도를 결정 합니다 (그림 3).
    Equation 2
    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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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 2도 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 S1S2 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 S1S2참조). 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.

Figure 1
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.

Figure 2
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.

Figure 3
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.

Figure 4
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.

Figure 5
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.

Figure 6
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.

Figure 7
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 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 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

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References

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