Реактивная струйной печати и двигательной анализ шелка основе самоходные микро-мешалки

Chemistry
 

Summary

Этот протокол демонстрирует способность использовать реактивную струйной печати для печати самостоятельной motile биосовместимых и экологически чистых микро-мешалки для использования в биомедицинских и экологических приложений.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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

В этом исследовании сообщается о протоколе использования реактивной струйной печати для изготовления ферментиматически самоходных шелковых пловцов с четко определенными формами. В результате устройства являются примером самоходных объектов, способных генерировать движение без внешнего срабатывания и имеют потенциальные применения в медицине и экологических наук для различных целей, начиная от микро-перемешивания, целевые лечебную доставку для очистки воды (например, Очистка нефтяных разливов). Этот метод использует реактивную струйной печати для создания четко определенных мелкомасштабных твердых шелковых конструкций путем преобразования водорастворимый регенерированный шелк Фиброин (шелк I) для нерастворимых шелка Фиброин (шелк II). Эти структуры также выборочно легированных в конкретных регионах с фермента каталазы для того, чтобы производить движение через пузырь поколения и отряд. Количество напечатанных слоев определяет трехмерную (3D) структуру устройства, и здесь сообщается о влиянии этого параметра на движные траектории. Результаты демонстрируют способность настраивать движение, меняя размеры печатных конструкций.

Introduction

Искусственные самоходные микро мешалки (СМСС) используют различные двигательные механизмы для производства движения, которые могут быть классифицированы как либо химические движения1,2,3,4, 5 , 6 или физическое внешнее движение. Общий химический механизм движения является использование каталитической или ферментативной активности либо генерировать движения градиентов или генерировать пузыри, которые придают импульс к объекту, когда они отделяются. Предыдущие исследования исследовали несколько каталитических и химических СМСС, в том числе полистирола бусы с наночастицами платины и хромом адсорбином на поверхности1, золото-Платина бряталлик Янус нано-стержни2, магний Янус микро мешалки3, микро-мешалки изготовлены из магния ядра и диоксида титана с встроенным наночастиц золота4, и шелка Фиброин Янус микро-ракет с каталазы встроенных в эшафот5. Физические двигательные механизмы включают магнитные7,8, оптические9, и ультразвуковые10 двигательных установок, все контролируется внешним физическим источником. В зависимости от предполагаемого применения размер SPMS может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких сотен микрометров. Примерами потенциального применения этих вышеупомянутых и других СМСС являются медицинская диагностика заболеваний с лабораторно-на-чип устройств11, Загрузка и в естественных условиях целенаправленной доставки терапии12, экологической реабилитации3 (например, Очистка нефтяных разливов) и фотокаталитическую деградацию химических и биологических агентов, таких как бацилла анграакис и нервные агенты4. Целевой зависимости приложения, поэтому желательно, чтобы иметь возможность производить СМСС, которые проходят конкретные траектории, такие как длинные линейные траектории для транспортных проблем или вращательных траекторий для микро смешивания приложений. Акцент здесь делается на вращательное движение для перемешивания приложений.

Существует не один установленный метод для изготовления СМСС, но и для медицинских и экологических приложений, важно использовать материал, который является биосовместимым, биологически, экологически чистые, легко доступны, дешево и позволяет легко изготовления сложных СМСС без необходимости сложного оборудования. Восстановленный шелк Фиброин (РЕПОРТЕРЫ) является одним из таких материалов, который выполняет все эти параметры наряду с быть также одобрен пищевых продуктов и медикаментов (FDA).

Шелк является общим термином, используемым для нескольких естественных волокнистых белков, из которых, наиболее широко известный является тот, сделанный личинками шелковая моль, Bombyx Мори, до его окупукания. Эти коконы изготовлены из Фиброин, волокнистого белка, застрял вместе с другой белок, называемый Серицин. Шелк Фиброин (SF) было установлено, что отличные механические свойства, биосовместимость, и биоразлагаемость13, что делает его идеальным выбором для изготовления СМСС. SF существует в трех Полиморфные формы, а именно: шелк I, II, и III. Шелк I является водорастворимой метаводной формой, содержащей в основном гелисы и случайные катушки; шелк II представляет собой нерастворимый в воде вид, содержащий в основном антипараллельные, с кристаллизованным шелком; и шелк III представляет собой тройной полиглицин II спиральная структура, которая существует в водно-воздушном интерфейсе Шелкового раствора. Как и другие волокнистые белки, SF имеет повторяющиеся единицы аминокислотных последовательностей. Естественный SF кокона состоит из трех основных доменов гексапептида таких повторяющихся единиц (ГАГАГКС), в то время как X может быть A, S, или Y. Через связывание водорода, (GA) n мотивы из антипараллельных структур b листа далее стек через ван-дер-Ваальса сил и образуют гидрофобные нано кристаллизаций14,15.

Биосовместимость может быть улучшена путем поиска двигательных установок с использованием естественных ферментов для генерации градиента концентрации или пузырьков газа в жидкой среде (топливо). Следовательно, в этом исследовании, фермент каталаза используется в качестве "двигателя" для выработки двигательной установки с перекиси водорода используется как водный носитель. Каталаза-это фермент, который содержится почти во всех живых организмах. Оно катализирует Разложение перекиси водорода (H2O2) в воду и кислород16. Высвобождение пузырьков кислорода из ферментов сайтов СМСС генерирует силы на объект, заставляя его пройти движение в противоположном направлении пузыря релиз5 (рис. 1).

В каталитически управляемой SPMS, различное расположение каталитического участка приводит к различным поведению движения и траекториям1. В погоне за генератором эффективных микро-мешалки, поэтому, необходимо, чтобы изготовить мешалки с четко определенными геометрическими формами и позиции двигателя и сравнить различные полномочия двигателя. Здесь, чтобы облегчить эти исследования, он описал, как регенерированный шелка фиброна СМСС изготавливаются в миллиметровой шкале с использованием реактивных струйной печати (RIJ) технологии. Струйной печати не контактный метод для осаждения материалов. Это делает изготовление малых сложных структур с высокой точностью в формировании различных форм просто. RIJ происходит, когда два или более различных реагирующих материалов откладываются и реагируют на подложку для получения желаемого продукта материала. Таким образом, СМСС напечатаны с одной каталитической мешалкой сайт от центра дает объект асимметрия, что приводит к вращательной движения. Этот подход также упрощает изготовление микро-мешалки в различных формах и конфигурациях дизайна, определенных с помощью автоматизированного проектирования (CAD), таким образом, позволяя легче и точнее управляемости на желаемое движение во время практического Приложений. Наконец, демонстрируется способность полиграфических устройств различной толщины, которые демонстрируют различные двигательные свойства.

Это исследование предоставляет план для производства СМСС с "РЕПОРТЕРЫ против" на микрометра до миллиметрового масштаба. Использование технологии RIJ для изготовления "Репортеры без границ" открывает двери для весьма разностороннего производства микро-мешалки из материалов, таких как на месте производства строительных лесов или гидрогелей, которые иначе не могут быть сданы на хранение или изготовлены через других средств, таких как испарение. После соответствующей дальнейшей функционализации (например, ферменты), эти СМСС могут быть пригодны для экологической реабилитации3, таких как очистка биологических токсинов, органических загрязнителей, а также химические и биологические агенты войны4.

Protocol

Осторожно: Перед использованием перекиси водорода, карбоната натрия, этанола, хлорида кальция и метанола обратитесь к соответствующим материалам безопасности. Убедитесь, что носите все соответствующие средства индивидуальной защиты, включая инженерные средства управления при обработке химических веществ, используемых в этом протоколе.

1. Извлечение Фиброин

  1. Вырезать 5 г очищено шелковые коконы в ~ 1 см2 мелкие кусочки с помощью ножниц.
  2. Отварить 2 л обожаннизированной (DI) воды в стакане 2 л на магнитной горячей пластины под капотом извлечения.
  3. Добавить 4,24 g карбоната натрия постепенно и медленно в кипящую воду, чтобы избежать кипения снова и дайте ему раствориться с помощью магнитного бара перемешать.
  4. Подождите, пока раствор снова не закипит и добавьте кусочки коконов в раствор. Убедитесь, что весь шелк погружен в раствор и держать раствор кипения при постоянном перемешивании в течение 90 мин. Накройте стакан слегка алюминиевой фольгой и пополнить с предварительно разогретой DI воды регулярно, чтобы пополнить потери воды из-за испарения.

2. Сушка Фиброин

  1. Удалите извлекаемое фибров волокна из раствора карбоната натрия со стеклянным стержнем или шпателем и промойте 3x с 1 л предварительно разогретой DI воды для каждого мытья, постепенно уменьшая температуру для каждого шага мытья (приблизительно 60 °C, 40 °C, и комнатной температуры, 25 °C).
  2. Разложите фибров волокна на 750 mL боросиликатного стекла кристаллизации блюдо и поместить его в сушильной печи при температуре 60 ° c под атмосферным давлением и оставить высохнуть на ночь. После высушивают, храните Фиброин в закрытом контейнере при комнатной температуре.

3. растворение Фиброин

  1. Подготовка троичного раствора (реагента Ajisawa), содержащего 4,8 г воды DI, 3,7 г этанола и 3,1 г хлористого кальция17.
  2. Поместите две шеи круглый нижней колбы (100 mL) в водяной бане, сделанные путем заполнения 750 mL боросиликатного стекла кристаллизации блюдо с 600 мл воды DI, на вершине магнитной горячей пластины. Поместите тролярное решение в колбу.
  3. Поместите термометр в одну из шей, чтобы точно контролировать температуру раствора. Накройте другую шею алюминиевой фольгой, чтобы предотвратить высыхание раствора из-за испарения (или использовать конденсатор с водяным охлаждением рефлюкс). Нагрейте раствор до 80 ° c.
    Примечание: Убедитесь, что лампа термометра находится внутри раствора.
  4. Когда температура раствора стабильна при температуре 80 ° c, удалите алюминиевую фольгу и добавьте 1 г сушеного фиброна к растворе. Добавить небольшой магнитный перемешать бар, чтобы обеспечить, что решение смешивается хорошо на протяжении всего процесса растворения. Обложка второй шею снова с алюминиевой фольгой, чтобы свести к минимуму испарение, но держать систему открытой. Оставьте для растворения 90 мин.

4. диализ фибров раствора

  1. После 90 мин растворение, оставьте Фиброин раствор на 10 минут, чтобы остыть до комнатной температуры.
  2. Возьмите 1 15 см длинной трубки диализа (молекулярный вес срезанные 12000 − 14000 kDa) и связать узел в одном из двух концов. Вымойте его в течение нескольких минут с проточной DI воды из-под крана.
  3. Откройте другой конец и вылейте Фиброин раствор внутрь. Используя металлический зажим, закройте другой конец трубки диализа, гарантируя, что трубка закрыта как можно плотнее. Прикрепите один из концов трубки диализа через винт колпачок на пустой 30 мл пластиковый флакон, чтобы диализа трубки плавать в воде.
  4. Заполните стакан 2 л с 2 л ди воды и поместите диализа трубки внутри него. Меняйте воду на регулярной основе. Проверяйте проводимость воды каждый раз, когда она изменяется, чтобы следить за процессом диализа. Этап диализа завершается после того, как проводимость воды ниже 10 мкс/см.
    Примечание: этот процесс обычно занимает около 24 − 36 ч с 5 изменениями воды.
  5. После диализа завершена, вырезать один конец трубки диализа с ножницами и залить раствор в серии 1,5 мл труб. Затем центрифуга в течение 5 минут на 16 000 x g для удаления любых частиц внутри раствора фиброна. Соберите супернатант в пластиковом флаконе 30 мл и храните его при температуре 4 °C.

5. Определение концентрации решения «РЕПОРТЕРЫ»

  1. Взвешивание чистого стеклянного слайда (W1). Добавьте 200 мкл Шёлкового раствора (V1).
  2. Оставьте стеклянную горку в духовке при температуре 60 ° c в течение 2 ч.
  3. Снова взвесить стеклянную горку (W2).
  4. Рассчитать концентрацию Шелкового раствора (w/v), используя следующую формулу:
    Equation 1

6. Приготовление чернил для печати

  1. Подготовьте чернила A (конечный объем 1,5 mL) путем смешивания раствора фиброна (40 мг/мл), полиэтиленгликоля 400 (ПЭГ400; 14 мг/мл) и деионизированной воды для печати основного тела Спмсс.
  2. Для печати каталитического двигателя СМСС, смешайте Фиброин (40 мг/мл), ПЭГ400 (12 мг/мл), каталаза (6 мг/мл с каталитической активностью > 20000 единиц/мг) и деионизированной воды, чтобы сделать 1,5 мл чернил B.
  3. Приготовьте 1,5 мл чернил C, растворя блестящий синий Коомсси (0,05 мг/мл) в метаноле.
    Примечание: метанол используется для преобразования фибров случайных катушек для жестких бета-листов с помощью печати чернил C поверх чернил а или чернил в. Кооммасси блестящий синий используется для обеспечения контрастного цвета Спмсс для оказания помощи автоматического отслеживания Спмсс во время движения.

7. Реактивный струйный 3D печать

Примечание: струйный принтер, используемый в этих экспериментах, основан на пьезоприводные устройства с стеклянными насадками. Есть несколько коммерчески доступных струйных принтеров для исследований, которые могут дублировать эти функции.

  1. Используйте струйное устройство с диаметром 80 мкм для печати чернил на кремниевой подложке, размещенный на сцене, на рабочем расстоянии между соплом и субстратом Si-вафельной пластины размером около 5 мм. Геометрические фигуры СМСС определяются в цифровом виде как серия точек координат X-Y в файле электронной таблицы.
    Примечание: принтер читает координаты поочередно и запускает принтер соответственно. Каждый координатной точки делает принтер струи раз через струйное устройство. Отдельные файлы электронной таблицы создаются для чернил а и б (см. Дополнительные файлы [SPMS основной корпус. xlsx и SPMS двигатель. xlsx]).
  2. Загрузите три краски (A, B и C) на три водохранилища (1,5 mL каждый), а затем отрегулируйте обратное давление с помощью клапана заднего давления для каждого отдельного канала, чтобы убедиться, что чернила не капает от струйной устройств.
    Примечание: необходимы три струйное устройство на независимых каналах.
  3. Отрегулируйте параметры струйной (рост времени 1, жить время, время падения, Эко время, время подъема 2, простоя напряжения, останавливаться напряжения, эхо напряжения) для каждого канала, чтобы гарантировать, что каждая краска дает хорошее стабильное формирование капли (рис. 2).
    Примечание: эти параметры в зависимости от устройства и чернила зависимые и должны быть скорректированы соответствующим образом.
  4. Печать волокнистым слоем шелка-слой за слоем, чередующееся с метанолом на чистых полированных Si-вафельных субстратах: стадия 1, печать чернил A (основное тело); Стадия 2: печать чернил C (отверждения чернил); Стадия 3: печать чернил B (каталитическая краска для узлов двигателя); Стадия 4: печать чернил C (отверждения чернил); Стадия 5: повторные этапы 1-4 для требуемых слоев (например, 100).
    Примечание: два примера конструкций для 4 этапов включены в Дополнительные файлы; SPMS основной корпус. xlsx используется для этапа 1 и 2-го этапа и двигателя SPMS. xlsx используется для этапа 3 и 4-го этапа.
  5. Печать двух партий фиброна СРГ с 200 слоями и 100 слои толщиной, соответственно.
    Примечание: каталаза двигатель расположен на стороне одного конца каждого мешалка. Таким образом, мешалки имеют один каталитический двигатель (см. Рисунок 1 красная область).
  6. Для удаления образцов от Si-пластин, погрузить образцы в воде DI и осторожно агитировать до отряд происходит.

8. сбор данных/отслеживание и анализ траектории самоходных мешалки

  1. Очистите стеклянную чашку Петри (диаметром 9 см) с водой DI, чтобы поверхность была свободной от пыли.
  2. После того, как чистый и сухой, добавить 10 мл предварительно отфильтрованных (0,45 мкм) 5% w/v H2O2 в чашку Петри и оставить для урегулирования. Зажгите дно чашки Петри с холодным белым светоиспускающим диода (LED) источником света и использовать высокоскоростной камерой с макро зум-объектив, чтобы захватить движение сверху. Сохранение видео как. Ави файлов.
    Примечание: см. таблицу материалов для деталей используемого оборудования.
  3. Вымойте печатные мешалки шелка для 10 мин, погрузив их в воду DI, чтобы удалить любые несвязанные ПЭГ400. Аккуратно возьмите одну промытой мешалку с наконечником стерильной иглы шприца и поместите ее в центр чашки Петри. Когда промытый мешалка коснется топлива H2O2 , вокруг двигателя начнут формироваться пузырьки, и будет наблюдаться круговое движение мешалка. Когда система появится стабильная (обычно 10 − 30 s позже), нажмите запись в записи программного обеспечения, чтобы начать захват видео.
  4. Выполните отслеживание микро мешалки на раме на основе кадра, отслеживание каждого конца мешалки, как указано в точках а и в на рисунке 3.
    Примечание: это может быть сделано вручную или с помощью отслеживания программного обеспечения.
  5. Из полученных данных отслеживания вычисляют мгновенную скорость между двумя последовательными рамками (например, 1 и 2), используя уравнение ниже и усреднение результирующей скорости от всей последовательности для получения средней мгновенной скорости.
  6. Далее к этому, рассчитать угол ориентации φ. Затем используйте скорость изменения φ для определения скорости вращения (Рисунок 3).
    Equation 2
    Примечание: при расчете мгновенных скоростей от отслеживаемых данных изображения важно, чтобы исходное изображение объекта с известными измерениями было принято для вычисления значений правильных пикселей до микрометра. Эти значения будут зависеть от используемой камеры, цели и расстояния. В зависимости от типа напечатанной частицы, выберите различные точки отслеживания для расчета скорости. Например, здесь отслеживаются точки A, B и C (центр массы), которые используются для определения мгновенных скоростей (Рисунок 3).

9. характеристика СМСС по Рэм

  1. Удалите неиспользованные и использованные Спмсс из раствора Si-вафельных или объемных и переведите их на 10 мм широкоугольный подушечки углерода, установленные в заглушки для электронной микроскопии (РЭМ) на алюминиевой томографии. Сухие образцы в сушильной печи в течение 10 минут при температуре 60 ° c.
  2. Загрузите образец окурки на спинатер этапе. Прядь пальто (плазма аргона на 0,05 Torr) 50-100 Нм золота на образцах, обеспечивая однородное покрытие поверхности золота образца.
  3. Извлекайте пробки образца от пряника coатер и изображение в МДж под вакуумом на 5,0 кв.
    Примечание: очень высокое ускорение напряжения могут сжечь шелк и привести к ложным особенностям.

Representative Results

После кипячения шелка ожидается, что высохшие волокна будут примерно на треть легче, чем раньше, что указывает на успешное удаление серацина. Во время растворения шелка в реагенте Ajisawa, волокна должны быть полностью растворены, и желтая вязкая жидкость должна быть восстановлена. После диализа, шелковое раствор должен быть менее вязким, но по-прежнему демонстрировать слегка желтый цвет. Если шелк превратился в гель, это означает, что растворение не было сделано успешно.

Стабильные капельки, сформированные из струющихся устройств, позволят более высокое определение печатных образцов. Рисунок 2 показывает пример стабильной одной капли, чтобы дать хорошие результаты печати, такие как печатные шелковых мешалки показано на рисунке 4. Это нормально, в зависимости как вязкость чернил, что распространение происходит на подложке.

В зависимости от используемого струйных принтеров и размера капель расстояние между каждой печатной капельками должно корректироваться таким образом, чтобы они перекрываются для создания подключенных линий. Если капли слишком далеки друг от друга, то распечатанная структура будет распаваться. В дополнение к этому, если не хватает слоев печатаются, есть шанс, микро-мешалки разорвать, когда помещается в топливном растворе. После мешалки были удалены от подложки и промывают, поместив их в раствор для топлива перекиси водорода должна мгновенно привести к пузырьков формируется. Коэффициент успеха хорошего выпуска пузыря сильно зависит от активности фермента; Если активность фермента низка, меньше пузырьков сформируйте таким образом, что приводит к плохим результатам движения. На рисунке 5 показано, как изменяется поверхностная морфология мешалки из-за того, что пузырьки освобождаются от внутренних структур, генерирующих небольшие поры. Успешная микро-мешалка будет похожа на те, которые можно увидеть на рисунке 6 и два дополнительных видео с и S2 соответственно.

Цифра 6 показывает еще видео кадры двух представитель, 100-слоя (рис. 6a) и 200-слоя (Рисунок 6a) микро-мешалки в 5% H2O2 топлива. Красные и зеленые линии обозначают траектории, отслеживаемые (см. Дополнительные видеоролики s и S2). Скорость вращения может определяться скоростью изменения ориентации (ɸ, Рисунок 3), как показано на рисунке 7. Сравнение 100-слоя и 200-слоя каталаза легированных микро-мешалки показывает отличительные увеличение скорости вращения ~ 0,6 раза от 60 ± 6 оборотов в минуту до 100 ± 10 оборотов в минуту (рис. 7).

Figure 1
Рисунок 1: схематическая иллюстрация каталитического пробоя перекиси водорода в воду и кислород, каталаза встроена в леску мешалка в нужном месте (показана красным цветом). Пузырьки продукта кислорода обеспечить необходимые движения для перемещения мешалка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2: промежуток времени изображения формирования капель из "Репортеры с устройством" (диаметр сопла 80 мкм). Цифры ниже изображения представляют собой время, прошедшее, в микросекундах (МКС), так как инициирование струйной капли шелка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3: Схематическое представление отслеживания частиц в течение двух последовательных рамок. A и B указывают на точки отслеживания и C указывает на центр масс. φ указывает угол ориентации. Направление траектории SPMS указывается изогнутой черной стрелой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4: светлый микрограф свеже RIJ напечатанный микро-мешалка (100 слоев) перед мыть. Красная коробка обозначает каталаза легированных области (область двигателя). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.

Figure 5
Рисунок 5: Рэм образы основного тела и каталаза двигателя часть SPMS после поры формируются из-за пузыря релиз. Поры могут быть отчетливо видны на поверхности двигателя в Рэм образы СМСС происходящих из кислорода пузыря релизе. (A) шелк микро-мешалки перед воздействием 5% w/v H2O2 топлива решение. (B) Шелковый SPMS после воздействия 5% w/v H2O2 топлива решение. Изображения справа — увеличений красных областей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.

Figure 6
Рисунок 6: видео кадры двух микро-мешалки в 5% топлива решение с указанием траектории с течением времени. (A) 100-слойные микро-мешалки. (B) 200-слойные микро-мешалки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.

Figure 7
Рисунок 7: сравнение угла ориентации (φ) для 100-слоя (60 ± 6 оборотов в минуту) и 200-слоя (100 ± 10 оборотов в минуту) микро-мешалки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.

Дополнительное видео с: представитель 100-слой самостоятельной motile микро-мешалка в 5% w/v H 2-х О 2-х проходит движение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительное видео S2: представитель 200-слой самостоятельной motile микро-мешалка в 5% w/v H 2-х О 2-х проходит движение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Discussion

Ключевой особенностью СМСС производится в этом протоколе является способность быстро и легко разрабатывать различные формы и структуры через RIJ шелка легированных с ферментами, такими как каталаза и достижения химически приводом движения через пузырь двигательной силой5. Это вместе с высокой биосовместимостью18 из этих мешалки делает их весьма желательным для будущих приложений для водных проблем восстановления, а также для лабораторий-на-чип-приложений для медицинских диагностирования устройств.

Здесь двигательная способность демонстрируется с помощью простого дизайна линии с машинной частью, напечатанной на стороне, как показано на рисунке 1. Красные точки представляют собой каталитически активные каталазы, легированные части двигателя, а синие точки представляют неактивные части. Чтобы иметь возможность генерировать 3D фигуры через RIJ, необходимо печатать несколько слоев, чтобы генерировать высоту оси z. Здесь, количество слоев, депонированных на Si-вафельные были 100 и 200. Меняя количество слоёв, можно найти разницу в скорости движения/вращения, сравнимую с депонированием вдвое большего количества материала. Для того чтобы иметь четко определенные структуры во время струйной печати, важно, чтобы были выбраны правильные параметры, чтобы достичь четко определенной капли, как показано на рисунке 2. Эти параметры будут варьироваться в зависимости от используемых чернил и струйной устройств. Если чернила не производят стабильных капель, то чернила, скорее всего, больше не подходит для печати и, скорее всего, начинает превращаться в гель. Важно отметить, что предел разрешения сильно зависит от размера используемой насадки, и меньшие насадки позволяют для более высокого разрешения и более мелких структур/частиц печататься.

Пример RIJ печатных шелковая мешалка показан на рисунке 4, где каталаза легированного двигателя часть (как указано красным отмечены области) можно увидеть прилагается к стороне основного тела (также см. схема на рисунке 1 для деталей). Печатные шелковых лесов является материалом, который позволяет топлива решение диффузного всей структуры 3D, и, таким образом пузырьки кислорода образуются при разложении перекиси водорода через каталазы. Пузырьки кислорода, выпущенные генерировать микрон масштаба поры в шелковом конструкции эшафот, как можно увидеть путем сравнения МДж микрографов перед воздействием H2o2 топлива (рис. 5A) и после H2o2 экспозиции ( Рисунок 5B). Для того, чтобы обеспечить, что движение связано с разложением H2O2 топлива, но не поверхностное натяжение приводом через выпуск колышек400, важно, что мешалки изначально погружаются в воду в течение по крайней мере 10 мин и испытаны в di воды для движения поверхностного натяжения до двигательной установки в топливном растворе.

Использование ПЭГ400 позволяет лучше выпускать пузыри из шелковой поверхности19 , как было ранее объяснено Грегори et al.5 но может также привести к поверхностной напряженности приводом движения, которые могут быть желательны в зависимости от применения, как ранее описанные20. Этот второй механизм также дает возможность производить СМСС с двумя механизмами, которые зависят от времени и могут быть выгодны для определенных приложений, которые, например, ожидали бы первоначального энергичного перемешивания в начале, а затем медленнее продолжали перемешивании в течение длительных периодов времени20.

В заключение, с помощью RIJ для производства автономных самоходных устройств, широкий спектр форм и размеров могут быть легко разработаны и напечатаны. Шелк в качестве базового материала для устройств дает возможность легко инкапсулировать ферменты и другие пряностей в структуры, дающие возможности добавлять функции к этим устройствам.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Авторы хотели бы отметить поддержку со стороны ЕПКЗ через X. Чжао реактивный струйной печати наград шелковых материалов (EP/N007174/1 и EP/N023579/1), S. J. Ebbens карьера ускорение стипендий, и здравоохранения технологии влияние стипендий (EP/J002402/ 1 и EP/N033736/1). Авторы также поблагодарить д-р Цинвы ся из государственной ключевой лабораторией шелкопряда биологии генома, Юго-Западный университет, Китай за предоставление шелковые коконы.

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