प्रतिक्रियाशील Inkjet मुद्रण और रेशम के प्रणोदन विश्लेषण-आधारित स्व-माइक्रो-stirrers चालित

Chemistry
 

Summary

इस प्रोटोकॉल के लिए प्रतिक्रियाशील इंकजेट मुद्रण का उपयोग करने के लिए स्व-motile biocompatible और पर्यावरण की दृष्टि से दोस्ताना माइक्रो बायोमेडिकल और पर्यावरण अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए सूक्ष्म stirrers प्रिंट की क्षमता दर्शाता है ।

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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

इस अध्ययन में, प्रतिक्रियाशील इंकजेट मुद्रण का उपयोग करने के लिए एक प्रोटोकॉल, अच्छी तरह से परिभाषित आकृतियों के साथ एंजाइमेटिकली प्रोपेल्ड रेशम तैराकों की सूचना दी जाती है । परिणामस्वरूप उपकरणों आत्म चालित वस्तुओं का एक उदाहरण है बाह्य प्रवर्तन बिना गति पैदा करने में सक्षम है और चिकित्सा और पर्यावरण विज्ञान में माइक्रो सरगर्मी, लक्षित से लेकर प्रयोजनों की एक किस्म के लिए संभावित अनुप्रयोगों है चिकित्सीय प्रसव, पानी रिमेडियेशन करने के लिए (जैसे, तेल फैल सफाई) । इस विधि प्रतिक्रियाशील इंकजेट मुद्रण के लिए पानी में घुलनशील पुनर्जीवित रेशम फाइफ़िन (रेशम मैं) में परिवर्तित द्वारा अच्छी तरह से परिभाषित छोटे पैमाने पर ठोस रेशम संरचनाओं पैदा करने के लिए अघुलनशील रेशम फाइफ़िन (रेशम द्वितीय) को रोजगार । ये संरचनाएं भी चुन कर रहे है के साथ विशिष्ट क्षेत्रों में अपमिश्रित एंजाइम कैटालेज के माध्यम से गति का उत्पादन करने के लिए बुलबुला पीढ़ी और टुकड़ी । मुद्रित परतों की संख्या डिवाइस की तीन आयामी (3 डी) संरचना निर्धारित करता है, और इसलिए यहां नोदी प्रक्षेप पथ पर इस पैरामीटर के प्रभाव की सूचना दी है । परिणाम मुद्रित संरचनाओं के आयामों को अलग करके गति को ट्यून करने की क्षमता प्रदर्शित करते हैं ।

Introduction

कृत्रिम स्व-चालित माइक्रो-stirrers (spmss) प्रणोदन तंत्र की एक किस्म को रोजगार के लिए प्रस्ताव है, जो या तो रासायनिक प्रणोदन1,2,3,4के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है उत्पादन, 5, 6 या शारीरिक बाहरी प्रणोदन । एक आम रासायनिक प्रणोदन तंत्र के लिए उत्प्रेरक या एंजाइमी गतिविधि का उपयोग करने के लिए या तो गति उत्पादन gradients उत्पंन या बुलबुले कि वस्तु को गति प्रदान उत्पंन जब वे अलग है । पिछले अध्ययनों से कई उत्प्रेरक और रासायनिक spmss की जांच की है, प्लेटिनम नैनोकणों और क्रोमियम सतह1, सोने-प्लेटिनम biधातुई janus नैनो-छड़2, मैग्नीशियम जानस पर अधिशोषित के साथ polystyrene मोती सहित माइक्रो-stirrers3, माइक्रो-एक मैग्नीशियम कोर और टाइटेनियम डाइऑक्साइड के खोल के साथ एंबेडेड गोल्ड नैनोकणों4के साथ बनाया, और रेशम फाइफ़िन जानस माइक्रो-रॉकेट पाड़ के भीतर एंबेडेड कैटालेज के साथ5। भौतिक प्रणोदन तंत्र चुंबकीय7,8, ऑप्टिकल9, और अल्ट्रासोनिक10 प्रणोदन प्रणाली, सभी एक बाहरी भौतिक स्रोत द्वारा नियंत्रित किया जा रहा शामिल हैं । इच्छित अनुप्रयोग पर निर्भर करता है, SPMS आकार कुछ नैनोमीटर से कई माइक्रोमीटर तक के लिए रेंज कर सकते हैं । इन उपर्युक्त और अन्य एसपीएमएसएस के संभावित अनुप्रयोगों के उदाहरण हैं-प्रयोगशाला-ऑन-ए-चिप उपकरणों के साथ रोगों का चिकित्सीय निदान11, लदान और चिकित्सा विज्ञान के लिए वीवो लक्षित सुपुर्दगी12, पर्यावरणीय उपचारण3 (जैसे, तेल फैल सफाई), और रासायनिक और जैविक युद्ध एजेंटों के प्रकाश उत्प्रेरक गिरावट, ऐसे bacillus एंथ्रेस और तंत्रिका एजेंटों के रूप में4। लक्ष्य अनुप्रयोग निर्भर, यह इसलिए वांछनीय है कि SPMSs कि परिवहन चुनौतियों के लिए लंबी रैखिक प्रक्षेप पथ या माइक्रो मिश्रण अनुप्रयोगों के लिए घूर्णी प्रक्षेप पथ के रूप में विशिष्ट प्रक्षेप पथ से गुजरना करने में सक्षम होना करने के लिए । यहां ध्यान सरगर्मी अनुप्रयोगों के लिए घूर्णी गति पर है ।

वहां कोई एक स्थापित करने के लिए SPMSs बनाने की विधि है, लेकिन चिकित्सा और पर्यावरण अनुप्रयोगों के लिए, यह एक सामग्री है कि biocompatible, biodegradable, पर्यावरण के अनुकूल है, आसानी से उपलब्ध है, सस्ते और जटिल SPMSs के आसान निर्माण की अनुमति देता है का उपयोग करने के लिए आवश्यक है अत्याधुनिक उपकरणों की आवश्यकता के बिना । पुनर्जीवित रेशम फाइफ़िन (आरएसएफ) एक ऐसी सामग्री है कि इन सभी मानकों को पूरा करने के साथ साथ भी खाद्य एवं औषधि प्रशासन (एफडीए) द्वारा अनुमोदित किया जा रहा है ।

रेशम एक जेनेरिक शब्द है जिसका प्रयोग प्राकृतिक रूप से होने वाले रेशेदार प्रोटीनों के लिए किया जाता है, जिसमें से सबसे अधिक जाना जाता है, रेशम कीट के लार्वा, बॉम्बिक्स मोरी, अपनी प्यूपरेशन से पहले बनाया गया है । इन कोया फाइकोइन, एक रेशेदार प्रोटीन से बना रहे हैं, एक और sericin बुलाया प्रोटीन के साथ अटक । रेशम फाइफाइन (एस एफ) उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों, biocompatibility, और biodegradability13है पाया गया है, जो यह SPMSs fabricating के लिए एक आदर्श विकल्प बनाता है । एस एफ तीन बहुरूपी रूपों में मौजूद है, अर्थात्, रेशम मैं, द्वितीय, और तृतीय । रेशम मैं एक पानी में घुलनशील मितस्थायी मुख्य रूप से युक्त रूप है हेलिक्स और यादृच्छिक coils; रेशम II एक जल अघुलनशील रूप है, जिसमें मुख्य रूप से क्रिस्टलित रेशम की प्रतिसमांतर β शीट होती है; और सिल्क III एक तिगुना polyglycine द्वितीय पेचदार संरचना है कि पानी के रेशम समाधान के हवा इंटरफेस पर मौजूद है । अंय रेशेदार प्रोटीन के समान, एस एफ एमिनो एसिड दृश्यों की इकाइयों दोहरा है । कोकून के स्वाभाविक रूप से होने वाले एसएफ में ऐसी दोहराए जाने वाली इकाइयों (GAGAGX) के तीन मुख्य हेक्सापेप्टाइड डोमेन होते हैं, जबकि X ए, एस या वाई हो सकता है । हाइड्रोजन जिल्द के माध्यम से, (GA) एन रूपांकनों प्रतिसमांतर β शीट संरचनाओं से आगे वान der waals बलों और फार्म जलविरागी नैनो crystallizations14,15के माध्यम से ढेर ।

Biocompatibility और आगे के लिए स्वाभाविक रूप से घटनेवाला एंजाइमों का उपयोग करने के लिए एक तरल माध्यम (ईंधन) में एक एकाग्रता ढाल या गैस बुलबुले उत्पंन करने के लिए प्रणोदन ड्राइव की मांग से सुधार किया जा सकता है । नतीजतन, इस अध्ययन में, एंजाइम कैटालेज "इंजन" के रूप में हाइड्रोजन पेरोक्साइड जलीय ईंधन माध्यम के रूप में इस्तेमाल किया जा रहा के साथ प्रणोदन उत्पंन करने के लिए प्रयोग किया जाता है । कैटालेज लगभग सभी जीवों में पाया जाने वाला एक एंजाइम है । यह हाइड्रोजन पेरोक्साइड (एच22) के अपघटन को पानी और आक्सीजन16में उत्प्रेरित करता है । SPMSs के एंजाइम साइटों से ऑक्सीजन बुलबुले की रिहाई के लिए यह बुलबुला रिहाई5 के विपरीत दिशा में प्रणोदन गुजरना करने के लिए कारण वस्तु पर एक बल उत्पंन (चित्रा 1) ।

एक उत्प्रेरक के रूप में संचालित SPMS में, विभिन्न प्रणोदन व्यवहार और प्रक्षेप पथ के परिणाम उत्प्रेरक साइट की अलग स्थिति1। कुशल माइक्रो-stirrers पैदा करने की खोज में, यह इसलिए, अच्छी तरह से परिभाषित ज्यामितीय आकार और इंजन की स्थिति के साथ stirrers बनाना आवश्यक है और इंजन के विभिंन शक्तियों की तुलना करें । यहां, इन जांचों को सुकर बनाने के लिए यह बताया गया है कि किस प्रकार रिएक्टिव इंकजेट प्रिंटिंग (आरआईजे) प्रौद्योगिकी का उपयोग करके मिलीमीटर के स्केल पर पुनर्निर्मित रेशम फाइब्रिन एसपीएमएसएस तैयार किया जाता है । Inkjet मुद्रण सामग्री के बयान के लिए एक गैर संपर्क विधि है । यह विभिंन आकार सीधा पैदा करने में उच्च परिशुद्धता के साथ छोटे जटिल संरचनाओं के निर्माण बनाता है । RIJ जगह लेता है जब दो या अधिक अलग प्रतिक्रिया सामग्री जमा कर रहे है और सब्सट्रेट पर प्रतिक्रिया के लिए वांछित उत्पाद सामग्री का उत्पादन । इसलिए, SPMSs केंद्र बंद एक उत्प्रेरक विलोडक साइट के साथ मुद्रित वस्तु विषमता कि घूर्णी गति में परिणाम देता है । यह दृष्टिकोण भी बनाता है यह सरल आकार और डिजाइन कंप्यूटर द्वारा परिभाषित-एडेड डिजाइन (सीएडी), इस प्रकार व्यावहारिक के दौरान वांछित आंदोलन पर आसान और अधिक सटीक नियंत्रणता की अनुमति की एक किस्म में सूक्ष्म stirrers निर्माण के लिए अनुप्रयोगों. अंत में, विभिन्न प्रणोदन गुणों प्रदर्शन है कि अलग मोटाई के साथ मुद्रण उपकरणों की क्षमता का प्रदर्शन किया है ।

इस अध्ययन में आरएसएफ के साथ माइक्रोमीटर टू मिलीमीटर स्केल पर एसपीएमएसएस के निर्माण की रूपरेखा दी गई है । RSF माइक्रो-stirrers विनिर्माण के लिए RIJ प्रौद्योगिकी का उपयोग ऐसे स्वस्थानी में के रूप में सामग्री से माइक्रो-stirrers के उच्च बहुमुखी उत्पादन के लिए दरवाजे खोलता है पाड़ या hydrogels, जो अंयथा कर रहे है के लिए जमा या के माध्यम से निर्मित अन्य साधन जैसे वाष्पीकरण । उपयुक्त आगे functionalization (जैसे, एंजाइमों) के बाद, इन spmss जैविक विषाक्त पदार्थों, कार्बनिक प्रदूषकों, और रासायनिक और जैविक युद्ध एजेंटों4सफाई के रूप में पर्यावरण रिमेडियेशन3, के लिए उपयुक्त हो सकता है ।

Protocol

चेतावनी: कृपया संबंधित सामग्री सुरक्षा डेटापत्रक से परामर्श हाइड्रोजन पेरोक्साइड, सोडियम कार्बोनेट, इथेनॉल, कैल्शियम क्लोराइड, और मेथनॉल का उपयोग करने से पहले । इस प्रोटोकॉल में प्रयुक्त रसायनों से निपटने के दौरान इंजीनियरिंग नियंत्रण सहित सभी उपयुक्त व्यक्तिगत सुरक्षात्मक उपकरण पहनना सुनिश्चित करें ।

1. फाइफिइन का निष्कर्षण

  1. 5 ग्राम साफ रेशम कोया में काट ~ 1 सेमी2 छोटे टुकड़े कैंची का उपयोग कर ।
  2. एक निष्कर्षण हुड के तहत एक चुंबकीय गर्म प्लेट पर एक 2 एल बीकर में विआयनीकृत (DI) पानी की 2 एल फोड़ा ।
  3. उबलते पानी में धीरे-धीरे और धीमी गति से सोडियम कार्बोनेट की ४.२४ ग्राम जोड़ें पर उबलते से बचने के लिए और इसे एक चुंबकीय हलचल बार की मदद से भंग ।
  4. रुको जब तक समाधान फिर से फोड़ा शुरू होता है और कोया के कट टुकड़े समाधान में जोड़ें । सुनिश्चित करें कि सभी रेशम समाधान में डूबे हुए है और ९० मिनट के लिए लगातार क्रियाशीलता के तहत समाधान उबलते रखने के लिए । बीकर को हल्के से एल्यूमीनियम फॉयल से ढक कर रखें और वाष्पीकरण के कारण पानी की भरपाई के लिए नियमित रूप से प्रीगरम DI पानी के साथ ऊपर करें ।

2. फाइफ़िन के सूखने

  1. एक गिलास छड़ी या रंग के साथ सोडियम कार्बोनेट समाधान से निकाले फाइकोइन फाइबर निकालें और 3x धोने के साथ 1 एल preheated प्रत्येक धोने के लिए DI पानी की, धीरे-धीरे हर धोने कदम के लिए तापमान कम (लगभग ६० ° c, ४० ° c, और कमरे के तापमान, 25 ° C) ।
  2. एक ७५० मिलीलीटर बोरोसिलिकेट ग्लास क्रिस्टलित पकवान पर फाइब्रिन फाइबर बाहर बिखरा हुआ है और यह वायुमंडलीय दबाव के तहत ६० डिग्री सेल्सियस पर एक सुखाने ओवन में जगह है और रात भर सूखी छोड़ दें । एक बार सूख जाने पर, कमरे के तापमान पर एक बंद कंटेनर में फाइफिइन को स्टोर करें ।

3. फाइफिइन का विघटन

  1. एक त्रिअंगी समाधान तैयार (ajisawa के अभिकर्मक) जिसमें DI पानी के ४.८ ग्राम, इथेनॉल के ३.७ ग्राम, और ३.१ ग्राम कैल्शियम क्लोराइड17
  2. एक दो गर्दन गोल नीचे फ्लास्क (१०० मिलीलीटर) एक पानी के स्नान में, एक ७५० मिलीलीटर बोरोसिलिकेट ग्लास क्रिस्टलित डिश के साथ ६०० मिलीलीटर DI पानी की, एक चुंबकीय गर्म थाली के शीर्ष पर भरने के द्वारा बनाई गई जगह है । त्रिआधारी विलयन को फ्लास्क के अंदर रखें ।
  3. समाधान तापमान की सही निगरानी करने के लिए एक गर्दन में थर्मामीटर रखें । वाष्पीकरण के कारण समाधान से बाहर सुखाने को रोकने के लिए एल्यूमीनियम पंनी के साथ अंय गर्दन को कवर (या एक पानी ठंडा भाटा कंडेनसर का उपयोग करें) । ८० ° c करने के लिए समाधान गर्मी ।
    नोट: सुनिश्चित करें कि थर्मामीटर के बल्ब समाधान के अंदर है ।
  4. जब समाधान के तापमान ८० डिग्री सेल्सियस पर स्थिर है, एल्यूमीनियम पंनी निकालें और समाधान करने के लिए सूखे फाइफिइन के 1 ग्राम जोड़ें । एक छोटे से चुंबकीय हलचल बार जोड़ने के लिए सुनिश्चित करें कि समाधान के विघटन की प्रक्रिया में अच्छी तरह से मिलाया जाता है । वाष्पीकरण को कम करने के लिए एल्युमिनियम फॉयल से फिर से दूसरी गर्दन को ढक दें लेकिन सिस्टम खुला रखें । ९० मिनट के लिए भंग करने के लिए छोड़ दें ।

4. फाइफिइन समाधान का डायलिसिस

  1. विघटन के ९० मिनट के बाद, 10 मिनट के लिए फाइबुइन समाधान छोड़ कमरे के तापमान को शांत ।
  2. १ १५ सेमी लंबी डायलिसिस ट्यूब (आणविक भार कट-ऑफ 12000 − 14000 केडीए) लें और दो सिरों में से एक में गांठ बांध लीजिए । इसे नल से डीआई वॉटर चलाने के साथ कुछ मिनटों के लिए धो लें ।
  3. दूसरा सिरा खोलें और उसके अंदर फाइफिइन घोल डाल दें । एक धातु दबाना का उपयोग करना, यह सुनिश्चित करना है कि ट्यूब के रूप में संभव के रूप में कसकर बंद कर दिया है डायलिसिस ट्यूब के दूसरे छोर बंद । एक खाली 30 मिलीलीटर प्लास्टिक की शीशी के लिए एक पेंच टोपी के माध्यम से डायलिसिस ट्यूब के सिरों में से एक संलग्न करने के लिए डायलिसिस ट्यूब पानी में तैरने की अनुमति ।
  4. DI पानी की 2 एल के साथ एक 2 एल बीकर भरें और इसके अंदर डायलिसिस ट्यूब जगह है । नियमित अंतराल पर पानी बदलें । पानी की चालकता हर बार यह डायलिसिस प्रक्रिया का पालन करने के लिए बदल गया है की जाँच करें । पानी की चालकता 10 μS/सेमी से नीचे है एक बार डायलिसिस कदम खत्म ।
    नोट: इस प्रक्रिया में आमतौर पर लगभग 24 − 36 ज होते हैं, जिसमें पानी के 5 परिवर्तन होते हैं ।
  5. डायलिसिस पूरा हो गया है के बाद, कैंची के साथ डायलिसिस ट्यूब के एक छोर में कटौती और १.५ मिलीलीटर ट्यूब की एक श्रृंखला में घोल डालना । फिर, १६,००० x g पर 5 मिनट के लिए केंद्राभ करने के लिए फाइफिइन समाधान के अंदर किसी भी कणों को हटा दें । एक 30 मिलीलीटर प्लास्टिक की शीशी में supernatant लीजिए और इसे 4 डिग्री सेल्सियस पर स्टोर ।

5. RSF समाधान एकाग्रता का निर्धारण

  1. एक साफ ग्लास स्लाइड (W1) तौलना । रेशम समाधान के २०० μL जोड़ें (V1) ।
  2. 2 ज के लिए ६० ° c पर एक ओवन में ग्लास स्लाइड छोड़ दें ।
  3. ग्लास स्लाइड फिर से वजन (डब्ल्यू2) ।
  4. रेशम समाधान की एकाग्रता की गणना (w/) निंन सूत्र का उपयोग कर:
    Equation 1

6. छपाई के लिए स्याही की तैयारी

  1. इंक एक (अंतिम मात्रा १.५ मिलीलीटर) तैयार करें फाइफिइन सॉल्यूशन (४० मिलीग्राम/एमएल), पॉलिएथिलीन ग्लाइकोल ४०० (पीईजी४००; 14 एमजी/एमएल) और एसएमएसएसएस के मुख्य शरीर को छापने के लिए डीआयनीकृत पानी को मिलाकर ।
  2. एसपीएमएसएस के उत्पे्ररक इंजन की छपाई के लिए फाइफिइन (४० मिलीग्राम/एमएल), खूंटी४०० (12 मिग्रा/एमएल), कैटालेज (6 मिग्रा/एमएल > 20000 यूनिटों/एमजी की उत्प्रेरक गतिविधि के साथ मिक्स किया जाता है) और १.५ लीटर इंक बी बनाने के लिए विआयनीकृत जल
  3. १.५ मिथेनॉल में Coomassie शानदार नीले (०.०५ मिलीग्राम/एमएल) भंग करके स्याही सी की
    नोट: मेथनॉल स्याही ए या स्याही बी के शीर्ष पर मुद्रण स्याही सी द्वारा कठोर बीटा चादरें करने के लिए फाइब्रिन यादृच्छिक coils परिवर्तित करने के लिए प्रयोग किया जाता है. Coomassie शानदार नीले SPMSs के एक विषम रंग प्रदान करने के लिए उपयोग किया जाता है प्रणोदन के दौरान SPMSs के ऑटो ट्रैकिंग सहायता ।

7. प्रतिक्रियाशील इंकजेट 3 डी मुद्रण

नोट: इन प्रयोगों में इस्तेमाल इंकजेट प्रिंटर ग्लास नलिका के साथ पीजो का हाथ जेटिंग उपकरणों पर आधारित है । इन कार्यों डुप्लिकेट कर सकते है कि अनुसंधान के लिए कई व्यावसायिक रूप से उपलब्ध इंकजेट प्रिंटर हैं ।

  1. एक सिलिकॉन सब्सट्रेट पर स्याही मुद्रण के लिए ८० μm नोक व्यास के साथ का उपयोग करें नोजल और सी-वेफर सब्सट्रेट लगभग 5 मिमी के बीच एक काम दूरी पर मंच पर रखा । SPMSs के ज्यामितीय आकार डिजिटली एक स्प्रेडशीट फ़ाइल में X-Y निर्देशांक के बिंदुओं की एक श्रृंखला के रूप में परिभाषित कर रहे हैं ।
    नोट: प्रिंटर serially निर्देशांक पढ़ता है और तदनुसार प्रिंटर चलाता है । प्रत्येक निर्देशांक बिंदु जेटिंग डिवाइस के माध्यम से एक बार प्रिंटर जेट बनाता है । अलग स्प्रेडशीट फ़ाइलें एक और बी स्याही के लिए बनाए जाते है ( पूरक फ़ाइलें [Spms मुख्य शरीर. xlsx और Spms इंजन. xlsx] देखें) ।
  2. तीन स्याही (एक, बी, और सी) तीन जलाशयों (१.५ मिलीलीटर प्रत्येक) में लोड और फिर backpressure प्रत्येक व्यक्ति चैनल के लिए backpressure वाल्व का उपयोग करने के लिए सुनिश्चित करें कि स्याही जेटिंग उपकरणों से टपकाव का नहीं है समायोजित ।
    नोट: स्वतंत्र चैनलों पर तीन जेटिंग उपकरणों की जरूरत है ।
  3. प्रत्येक चैनल के लिए यह सुनिश्चित करने के लिए कि प्रत्येक इंक एक अच्छा स्थिर छोटी बूंद गठन (चित्रा 2) देता है जेटिंग मापदंडों (उदय समय 1, ध्यान केंद्रित समय, पतन समय, पारिस्थितिकी समय, वृद्धि समय 2, निष्क्रिय वोल्टेज, वास वोल्टेज, इको वोल्टेज) समायोजित करें ।
    नोट: इन मापदंडों जेटिंग डिवाइस और स्याही निर्भर कर रहे है और तदनुसार समायोजित करने की आवश्यकता होगी ।
  4. मुद्रित रेशम फाइफ़िन स्याही परत दर परत साफ पॉलिश Si-वेफर substrates पर मेथनॉल के साथ बारी: चरण 1, स्याही एक (मुख्य शरीर) के मुद्रण; स्टेज 2: इंक सी (इलाज स्याही) का मुद्रण; स्टेज 3: इंक बी (इंजन साइटों के लिए उत्प्रेरक स्याही) का मुद्रण; चरण 4: इंक सी (इलाज स्याही) का मुद्रण; चरण 5: वांछित परतों के लिए 1-4 चरणों को दोहराने की आवश्यकता (जैसे, १००) ।
    नोट: 4 चरणों के लिए दो उदाहरण डिजाइन पूरक फ़ाइलोंमें शामिल किए गए हैं; SPMS मुख्य शरीर । xlsx चरण 1 और चरण 2 के लिए उपयोग किया जाता है, और SPMS इंजन. xlsx चरण 3 और चरण 4 के लिए उपयोग किया जाता है ।
  5. २०० परतों और १०० परतों मोटाई के साथ फाइफिइन SPMSs के दो बैचों प्रिंट, क्रमशः ।
    नोट: कैटालेज इंजन प्रत्येक विलोडक के एक छोर के किनारे पर स्थित है । इस प्रकार, stirrers एक उत्प्रेरक इंजन है ( चित्रा 1 लाल क्षेत्र देखें) ।
  6. सी-वेफर्स से नमूनों को हटाने के लिए, DI पानी में नमूने विसर्जित और धीरे जब तक टुकड़ी होती है आंदोलन ।

8. डेटा अधिग्रहण/ट्रैकिंग और स्व-चालित stirrers के प्रक्षेपवक्र विश्लेषण

  1. एक गिलास पेट्री डिश (व्यास में 9 सेमी) DI पानी सुनिश्चित करना है कि सतह धूल मुक्त है के साथ साफ ।
  2. एक बार साफ और सूखी, पेट्री डिश में पूर्व की 10 मिलीलीटर (०.४५ μm) 5% w/ एक शांत सफेद प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) प्रकाश स्रोत के साथ पेट्री डिश के नीचे प्रकाश और मैक्रो ज़ूम लेंस के साथ एक उच्च गति कैमरा का उपयोग करने के लिए ऊपर से प्रस्ताव पर कब्जा । Avi फ़ाइलों के रूप में वीडियो सहेजें ।
    नोट: इस्तेमाल उपकरण के विवरण के लिए सामग्री की तालिका देखें ।
  3. 10 मिनट के लिए उंहें DI पानी में submerging करने के लिए किसी भी अनबाउंड खूंटी४००को हटाने के द्वारा मुद्रित रेशम stirrers धो लो । ध्यान से एक बाँझ सिरिंज सुई की नोक के साथ एक धोया विलोडक ले और यह पेट्री डिश के केंद्र में जगह है । जब धोया विलोडक छू एच22 ईंधन, बुलबुले के आसपास बनाने शुरू इंजन और विलोडक के परिपत्र गति मनाया जाता है । जब सिस्टम स्थिर दिखाई देता है (आमतौर पर 10 − 30 s बाद में), वीडियो कैप्चर करना शुरू करने के लिए रिकॉर्डिंग सॉफ्टवेयर में रिकॉर्ड दबाएँ.
  4. फ्रेम के आधार पर एक फ्रेम पर माइक्रो stirrers की ट्रैकिंग प्रदर्शन, stirrers के प्रत्येक अंत पर नज़र रखने के रूप में अंक A और B चित्रा 3में संकेत दिया ।
    नोट: यह मैंयुअल रूप से या सॉफ्टवेयर ट्रैकिंग की सहायता के साथ किया जा सकता है ।
  5. प्राप्त किए गए ट्रैकिंग डेटा से, नीचे दिए गए समीकरण का उपयोग करते हुए दो क्रमिक फ़्रेम (उदा., 1 और 2) के बीच तात्कालिक वेग की गणना करें और माध्य तात्कालिक वेग प्राप्त करने के लिए संपूर्ण अनुक्रम से परिणामी वेलोसिटी का औसत करें ।
  6. इसके अतिरिक्त, अभिविन्यास φ के कोण की गणना कीजिए । फिर घूर्णी वेग का निर्धारण करने के लिए φ के परिवर्तन की दर का उपयोग कीजिए (चित्र 3) ।
    Equation 2
    नोट: ट्रैक किए गए छवि डेटा से तात्कालिक वेग की गणना करते समय, यह महत्वपूर्ण है कि ज्ञात आयामों वाले किसी ऑब्जेक्ट की प्रारंभिक छवि सूक्ष्ममापी मानों के लिए सही पिक्सेल परिकलित करने में सक्षम होने के लिए ली गई है । ये मान कैमरे, उद्देश्य, और उपयोग की गई दूरी पर निर्भर करेगा । मुद्रित कण के प्रकार के आधार पर, वेग की गणना के लिए विभिन्न ट्रैकिंग बिंदुओं का चयन करें । उदाहरण के लिए, यहाँ पर ट्रैकिंग पॉइंट्स A, B और C (द्रव्यमान का केंद्र) सभी तात्कालिक वेग का निर्धारण करने के लिए उपयोग किए जाते हैं (चित्र 3) ।

9. SEM द्वारा SPMSs के लक्षण वर्णन

  1. Si-वेफर या थोक समाधान से अप्रयुक्त और इस्तेमाल SPMSs निकालें और उन्हें एल्यूमीनियम स्कैन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) stubs पर चढ़कर 10 मिमी चौड़ा कार्बन चिपचिपा पैड पर स्थानांतरित. ६० ° c पर 10 मिनट के लिए एक सुखाने ओवन में नमूनों सूखी ।
  2. नमूना stubs धूम विलेपक मंच पर लोड । धूम कोट (०.०५ Torr पर argon प्लाज्मा) 50-100 के समुद्री मील के नमूने पर सोने की, एक सजातीय सोने की सतह कवरेज सुनिश्चित करने के नमूने ।
  3. धूम विलेपक और छवि से एक SEM में वैक्यूम के तहत ५.० केवी में नमूना stubs निकालें ।
    नोट: बहुत उच्च त्वरण voltages रेशम जला और झूठी सुविधाओं को जन्म दे सकते हैं.

Representative Results

रेशम को उबालने के बाद, यह आशा की जाती है कि सूखे रेशे पहले की तुलना में एक-तिहाई हल्के होते हैं, जिससे सेरिसिन के सफल निष्कासन का संकेत मिलता है । अइमावा के अभिकर्मक में रेशम के विघटन के दौरान, तंतुओं को पूरी तरह से भंग कर दिया जाना चाहिए, और एक पीला चिपचिपा तरल बरामद किया जाना चाहिए । डायलिसिस के बाद, रेशम समाधान कम चिपचिपा होना चाहिए, लेकिन अभी भी थोड़ा पीला रंग दिखा । यदि रेशम जेल में बदल गया है, यह इंगित करता है कि विघटन सफलतापूर्वक नहीं किया गया था ।

जेटिंग उपकरणों से गठित स्थिर बूंदों मुद्रित नमूनों की उच्च परिभाषा सक्षम हो जाएगा । चित्र 2 में दर्शाए गए मुद्रित रेशम-रशियों जैसे अच्छे मुद्रण परिणाम देने के लिए एक स्थिर एकल छोटी बूंद का एक उदाहरण दर्शाया गया है । यह सामांय है, निर्भर करता है कि कैसे चिपचिपा स्याही है, कि प्रसार सब्सट्रेट पर होता है ।

इंकजेट इस्तेमाल किया और छोटी बूंद आकार के आधार पर, प्रत्येक मुद्रित छोटी बूंद के बीच की दूरी के लिए इस तरह से है कि वे जुड़े लाइनों उत्पंन ओवरलैप में समायोजित करने की जरूरत है । यदि बूंदें बहुत दूर है, मुद्रित संरचना टूट जाएगा । इस के अलावा, अगर पर्याप्त परतों मुद्रित नहीं कर रहे हैं, वहां माइक्रो-stirrers जब ईंधन समाधान में रखा तोड़ने का एक मौका है । एक बार stirrers सब्सट्रेट से हटा दिया गया है और धोया, उंहें हाइड्रोजन पेरोक्साइड ईंधन समाधान में रखने के तुरंत परिणाम बुलबुले में होने का गठन किया जा रहा है । अच्छा बुलबुला रिहाई की सफलता दर एंजाइम गतिविधि पर दृढ़ता से निर्भर करता है; यदि एंजाइम गतिविधि कम है, कम बुलबुले इस प्रकार गरीब प्रणोदन परिणाम के लिए अग्रणी फार्म का होगा । चित्रा 5 दिखाता है कि कैसे stirrers की सतह आकारिकी बुलबुले के कारण बदल दिया है भीतरी संरचनाओं छोटे pores पैदा करने से जारी किया जा रहा है । एक सफल माइक्रो-विलोडक उन लोगों के समान दिखेंगे जो चित्रा 6 और दो पूरक वीडियो S1 और S2 क्रमशः में देखे जा सकते हैं ।

चित्रा 6 अभी भी दो प्रतिनिधि के वीडियो फ्रेम, १००-परत (चित्रा 6a) और २००-परत (चित्रा 6b) माइक्रो-stirrers 5% H2O2 ईंधन में दिखाता है । लाल और हरे रंग की रेखाओं से पता चलता है प्रक्षेप पथ ( पूरक वीडियो S1 और S2देखें) । घूर्णी वेग का निर्धारण चित्र 7में दर्शाए अनुसार अभिविन्यास के परिवर्तन की दर (ɸ, आरेख 3) द्वारा किया जा सकता है । १०० की तुलना-परत और २००-परत कैटालेज अपमिश्रित माइक्रो-stirrers ~ ०.६ गुना की घूर्णी वेग में एक विशिष्ट वृद्धि से पता चलता है ६० ± 6 rpm से १०० ± 10 rpm (अंक 7) ।

Figure 1
चित्रा 1: योजनाबद्ध चित्रण हाइड्रोजन पेरोक्साइड का पानी और ऑक्सीजन में उत्प्रेरक टूट के कैटालेज द्वारा वांछित स्थानों पर है विलोडक पाड़ में एंबेडेड (लाल रंग में दिखाया गया है) । उत्पाद ऑक्सीजन बुलबुले विलोडक हिलाने के लिए आवश्यक प्रणोदन प्रदान करते हैं । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: एक जेटिंग डिवाइस से rsf के बिंदकी गठन के समय चूक छवियों (नोक व्यास ८० μm). चित्र के नीचे दिए गए नंबर, microseconds (μs), सिल्क स्याही droplet के जेटिंग की दीक्षा के बाद से गुजरे समय का प्रतिनिधित्व करते हैं । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3: दो लगातार तख्ते पर ट्रैकिंग कण का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व. A और B ट्रैकिंग बिंदुओं का संकेत देता है और C द्रव्यमान का केंद्र इंगित करता है । φ अभिविंयास के कोण को इंगित करता है । SPMS प्रक्षेपवक्र दिशा घुमावदार काले तीर से संकेत दिया है । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: एक ताजा rij की हल्की सूक्ष्मालेख मुद्रित माइक्रो-विलोडक (१०० परतों) धोने से पहले. लाल बॉक्स, कैटालेज डोपेड क्षेत्र (इंजन क्षेत्र) को निर्दिष्ट करता है । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्रा 5: मुख्य शरीर के SEM छवियों और एक spms के कैटालेज इंजन भाग के बाद pores बुलबुला रिहाई के कारण गठन कर रहे हैं । Pores ऑक्सीजन बुलबुला रिहाई से उद्भव SPMSs की SEM छवियों में इंजन की सतह पर स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है । () 5% डब्ल्यू/वी एच22 र्इंधन विलयन के संपर्क में आने से पहले रेशम के माइक्रो-स्टेरयर्स । () रेशम एसएमएस 5% डब्ल्यू/वी एच22 र्इंधन विलयन के संपर्क में आने के बाद । सही पर छवियां लाल क्षेत्रों के enlargements हैं । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 6
चित्रा 6:5% ईंधन समय के साथ प्रक्षेपवक्र दिखा समाधान में दो माइक्रो stirrers के वीडियो फ्रेम । () १००-लेयर माइक्रो-रलर । () २००-परत माइक्रो-stirrers । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 7
चित्रा 7:१००-परत (६० ± 6 rpm) और २००-परत (१०० ± 10 rpm) माइक्रो-stirrers के लिए अभिविन्यास कोण (φ) की तुलना । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

पूरक वीडियो S1: प्रतिनिधि १००-परत स्व-motile माइक्रो-विलोडक में 5% w/ 2 2प्रोपल्शन चल रहा है । कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

पूरक वीडियो S2: प्रतिनिधि २००-परत आत्म-motile माइक्रो-में 5% w/ 2 2प्रोपल्शन चल रहा है । कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

Discussion

इस प्रोटोकॉल में उत्पादित spmss की एक प्रमुख विशेषता के लिए जल्दी और आसानी से इस तरह के कैटालेज के रूप में एंजाइमों के साथ अपमिश्रित रेशम के rij के माध्यम से विभिन्न आकार और संरचनाओं के डिजाइन करने की क्षमता है और बुलबुला प्रणोदन5द्वारा रासायनिक संचालित गति प्राप्त । यह एक साथ उच्च biocompatibility इन stirrers के18 के साथ उंहें उच्च दोनों पानी रिमेडियेशन चुनौतियों के लिए भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए के रूप में के रूप में अच्छी तरह से प्रयोगशाला पर एक चिकित्सा निदान उपकरणों के लिए चिप अनुप्रयोगों के लिए वांछनीय बनाता है ।

यहां, प्रणोदन क्षमता एक इंजन भाग के साथ एक सरल लाइन डिजाइन का उपयोग करके यह के पक्ष में मुद्रित के रूप में चित्रा 1में दिखाया गया है । लाल डॉट्स उत्प्रेरक सक्रिय कैटालेज अपमिश्रित इंजन भागों का प्रतिनिधित्व करते है और नीले डॉट्स निष्क्रिय भागों का प्रतिनिधित्व करते हैं । RIJ के माध्यम से 3 डी आकार उत्पन्न करने के लिए सक्षम होने के लिए, यह एक z-अक्ष ऊंचाई उत्पन्न करने के क्रम में कई परतों मुद्रित करने के लिए आवश्यक है. यहां, एक Si-वेफर पर जमा परतों की संख्या १०० और २०० थे । परतों की संख्या अलग करके, प्रणोदन वेग में एक अंतर/रोटेशन सामग्री की दोगुनी राशि जमा करने के लिए तुलनीय पाया जा सकता है । इंकजेट मुद्रण के दौरान अच्छी तरह से परिभाषित संरचनाओं के लिए आदेश में, यह सही जेटिंग मापदंडों चित्रा 2में दिखाया गया है के रूप में एक अच्छी तरह से परिभाषित छोटी बूंद को प्राप्त करने के लिए चयन कर रहे है कि महत्वपूर्ण है । ये पैरामीटर इंक उपयोग किए गए और जेटिंग डिवाइस के अनुसार भिंन होंगे । यदि स्याही स्थिर बूंदों का उत्पादन नहीं करता है, तो स्याही सबसे अधिक संभावना नहीं अब मुद्रण के लिए उपयुक्त है और सबसे अधिक संभावना है जेल में बदल रहा है । यह ध्यान दें कि संकल्प सीमा दृढ़ता से इस्तेमाल नोक के आकार पर निर्भर करता है महत्वपूर्ण है, और छोटे नलिका उच्च संकल्प और छोटे संरचनाओं के लिए अनुमति/

Rij मुद्रित रेशम विलोडक का एक उदाहरण 4 चित्रामें दिखाया गया है, जहां इंजन भाग कैटालेज (के रूप में लाल चिह्नित क्षेत्र द्वारा संकेत) मुख्य शरीर के पक्ष से जुड़ा देखा जा सकता है (भी विवरण के लिए चित्रा 1 में योजनाबद्ध देखें) । मुद्रित रेशम पाड़ एक सामग्री है कि ईंधन के समाधान के लिए पूरे 3 डी संरचना में फैलाना करने के लिए अनुमति देता है, और इस तरह ऑक्सीजन बुलबुले catalase माध्यम से हाइड्रोजन पेरोक्साइड के अपघटन के दौरान गठन कर रहे हैं । ऑक्सीजन बुलबुले उत्पंन किया जा रहा माइक्रोन-स्केल रेशम पाड़ संरचना में pores के रूप में एच22 ईंधन के लिए जोखिम से पहले SEM micrographs की तुलना द्वारा देखा जा सकता है (चित्रा 5a) और एच2ओ 2 के बाद जोखिम ( चित्र 5B) । आदेश में यह सुनिश्चित करने के लिए कि गति के अपघटन के कारण है22 ईंधन पर नहीं सतह तनाव खूंटी४००के रिलीज के माध्यम से संचालित, यह महत्वपूर्ण है कि stirrers शुरू में पानी में कम से 10 मिनट की अवधि के लिए डूबे है और DI में परीक्षण किया सतह तनाव प्रस्ताव ईंधन समाधान में प्रणोदन से पहले के लिए पानी ।

खूंटी के उपयोग के४०० रेशम की सतह से बुलबुले की बेहतर रिहाई के लिए अनुमति देता है19 के रूप में पहले ग्रेगरी एट अल.5 द्वारा समझाया लेकिन यह भी सतह तनाव को जंम दे सकते है प्रणोदन, जो आवेदन के आधार पर वांछनीय हो सकता है के रूप में पहले20वर्णित है । यह दूसरी प्रणाली भी SPMSs दो तंत्र है कि समय निर्भर कर रहे है के साथ उत्पादन का अवसर देता है और कुछ अनुप्रयोगों के लिए लाभप्रद हो सकता है कि उदाहरण के लिए प्रारंभिक जोरदार सरगर्मी के बाद शुरू में धीमी जारी रखने की उंमीद करेंगे 20समय की विस्तारित अवधि के लिए सरगर्मी ।

अंत में, RIJ का उपयोग करने के लिए स्वायत्त स्वयं चालित उपकरणों का उत्पादन, आकार और आकार की एक विशाल रेंज आसानी से डिजाइन और मुद्रित किया जा सकता है । उपकरणों के लिए एक आधार सामग्री के रूप में रेशम के लिए आसानी से इन उपकरणों के लिए कार्यों को जोड़ने की संभावना देने के संरचनाओं में एंजाइमों और अंय moieties encapsulate के अवसर देता है ।

Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखकों के लिए epsrc से समर्थन की तरह X. zhao प्रतिक्रियाशील इंकजेट रेशम सामग्री पुरस्कार की छपाई (ep/N007174/1 और ep/N023579/1), एस जे ebbens कैरियर त्वरण फैलोशिप, और स्वास्थ्य प्रौद्योगिकी प्रभाव फैलोशिप (ep/J002402/ 1 और EP/N033736/1) । लेखक सिल्क कोकून प्रदान करने के लिए रेशम कीट जीनोम जीवविज्ञान, दक्षिण पश्चिम विश्वविद्यालय, चीन की राज्य प्रमुख प्रयोगशाला से डॉ क्विंगआप ज़िया का भी शुक्रिया अदा करते हैं ।

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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