Impressão de jato de tinta reativa e análise de propulsão de micro-agitadores autopropulsionados à base de seda

Chemistry
 

Summary

Este protocolo demonstra a capacidade de utilizar a impressão de jato de tinta reativa para imprimir microagitadores biocompatíveis e ambientalmente amigáveis para uso em aplicações biomédicas e ambientais.

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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

Neste estudo, um protocolo para usar a impressão reactiva do Inkjet para fabricar nadadores de seda enzymaticamente propelidos com formas bem definidas é relatado. Os dispositivos resultantes são um exemplo de objetos autopropulsores capazes de gerar movimento sem atuação externa e ter potenciais aplicações em medicina e ciências ambientais para uma variedade de finalidades que vão desde microagitação, direcionada terapêutica, à remediação da água (por exemplo, derramamentos de óleo de limpeza). Este método emprega a impressão de jato de tinta reativa para gerar estruturas de seda sólidas de pequena escala bem definidas, convertendo fibroína de seda regenerado solúvel em água (seda I) para fibroína de seda insolúvel (seda II). Estas estruturas também são dopadas seletivamente em regiões específicas com a enzima catalase, a fim de produzir movimento através da geração de bolhas e descolamento. O número de camadas impressas determina a estrutura tridimensional (3D) do dispositivo, e assim aqui o efeito deste parâmetro nas trajetórias propulsivas é relatado. Os resultados demonstram a capacidade de sintonizar o movimento variando as dimensões das estruturas impressas.

Introduction

Os micro-agitadores autopropulsores artificiais (spmss) empregam uma variedade de mecanismos da propulsão para produzir o movimento, que pode ser Categorizado como a propulsão química1,2,3,4, 5 º de , 6 ou propulsão externa física. Um mecanismo de propulsão química comum é usar a atividade catalítica ou enzimática para gerar gradientes de produção de movimento ou gerar bolhas que concederam impulso ao objeto ao se destacarem. Estudos prévios têm investigado vários SPMSs catalíticos e químicos, incluindo grânulos de poliestireno com nanopartículas de platina e cromo adsortido na superfície1, ouro-platina bimetálico Janus nano-Rods2, magnésio Janus micro-agitadores3, micro-agitadores feitos de um núcleo do magnésio e de um escudo Titanium do dióxido com nanopartículas encaixadas do ouro4, e fibroína de seda Janus microfoguetes com o catalase incorporado dentro do andaime5. Os mecanismos de propulsão física incluem sistemas de propulsão magnéticos7,8, ópticos9e ultrassônicos10 , todos sendo controlados por uma fonte física externa. Dependendo da aplicação pretendida, o tamanho do SPMS pode variar de alguns nanômetros a várias centenas de micrômetros. Exemplos de potenciais aplicações destes supramencionados e outros SPMSs são o diagnóstico médico de doenças com dispositivos Lab-on-a-chip11, carregando e in vivo direcionados entrega de terapêutica12, remediação ambiental3 (por exemplo, derramamentos de óleo de limpeza) e degradação fotocatalítica de agentes químicos e biológicos de guerra, como Bacillus anthracis e agentes nervosos4. Dependente da aplicação do alvo, é conseqüentemente desejável poder produzir SPMSs que se submetem a trajetórias específicas tais como trajetórias lineares longas para desafios do transporte ou trajetórias rotacionais para micro aplicações de mistura. O foco aqui é no movimento rotacional para aplicações de agitação.

Não há um único método estabelecido para fabricar SPMSs, mas para aplicações médicas e ambientais, é essencial usar um material que seja Biocompatible, biodegradável, eco-friendly, prontamente-disponível, barato e permita a fabricação fácil de SPMSs complexos sem necessidade de equipamentos sofisticados. O fibroína de seda regenerado (RSF) é um tal material que cumpre todos estes parâmetros junto com ser aprovado também pela administração do alimento e da droga (FDA).

A seda é um termo genérico usado para várias proteínas fibrosas que ocorrem naturalmente, das quais, o mais comumente conhecido é o feito pelas larvas de traça de seda, Bombyx mori, antes de sua pupação. Estes casulos são feitos de fibroin, uma proteína fibrosa, preso junto com outra proteína chamada sericina. O fibroína de seda (SF) foi encontrado para ter propriedades mecânicas excelentes, biocompatibility, e biodegradabilidade13, que lhe faz uma escolha ideal para fabricar spmss. SF existe em três formulários polimórficos, a saber, seda mim, II, e III. Silk I é uma forma solúvel em água metaestável contendo principalmente hélices e bobinas aleatórias; a seda II é um formulário water-insolsoluble que contem principalmente as folhas antiparalelas do β da seda cristalizada; e a seda III é uma estrutura helicoidal do polyglycine II tríplice que exista na relação da água-ar da solução de seda. Semelhante a outras proteínas fibrosas, SF repete unidades de seqüências de aminoácidos. O SF de ocorrência natural de um casulo consiste em três domínios Hexapeptídeo principais de tais unidades repetitivas (GAGAGX), enquanto X pode ser A, S ou Y. Através de ligação de hidrogênio, os motivos (GA) n de estruturas de folha β antiparalelas empilham ainda mais as forças de Van der Waals e formam nano cristalizações hidrofóbicas14,15.

A biocompatibilidade pode ser melhorada buscando impulsionar a propulsão usando enzimas que ocorrem naturalmente para gerar um gradiente de concentração ou bolhas de gás em um meio líquido (combustível). Consequentemente, neste estudo, a enzima catalase é usada como o "motor" para gerar propulsão com peróxido de hidrogênio sendo usado como meio de combustível aquoso. Catalase é uma enzima encontrada em quase todos os organismos vivos. Catalisa a decomposição do peróxido de hidrogênio (H2o2) em água e oxigênio16. A liberação de bolhas de oxigênio dos sítios enzimáticos dos SPMSs gera uma força sobre o objeto fazendo com que ela seja submetida à propulsão na direção oposta da liberação da bolha5 (Figura 1).

Em um SPMS conduzido catalisada, o posicionamento diferente do local catalítico conduz ao comportamento e às trajetórias diferentes da propulsão1. Em busca da geração de microagitadores eficientes, é, portanto, necessário fabricar agitadores com formas geométricas bem definidas e posições do motor e comparar os diferentes poderes do motor. Aqui, para facilitar estas investigações, descreve-se como o fibroína de seda regenerado spmss é fabricado na escala do milímetro usando a tecnologia reactiva da impressão do Inkjet (Rij). A impressão a jato de tinta é um método sem contato para a deposição de materiais. Isso faz com que a fabricação de pequenas estruturas complexas com alta precisão na geração de várias formas simples. O RIJ ocorre quando dois ou mais materiais de reacção diferentes são depositados e reagem no substrato para produzir o material do produto pretendido. Conseqüentemente, SPMSs imprimiu com um local do agitador catalítico fora do centro dá a assimetria do objeto que conduz ao movimento rotatório. Esta abordagem também facilita a fabricação de micro agitadores em uma variedade de formas e configurações de design definidas pelo design assistido por computador (CAD), permitindo assim uma controlabilidade mais fácil e mais precisa sobre o movimento desejado durante a prática Aplicativos. Finalmente, a habilidade de imprimir dispositivos com espessura de variação que exibem propriedades diferentes da propulsão é demonstrada.

Este estudo fornece um modelo para a fabricação de SPMSs com RSF na escala do micrômetro ao milímetro. O uso da tecnologia RIJ para a fabricação de microagitadores RSF abre a porta para a produção altamente versátil de microagitadores de materiais como, por exemplo, andaimes produzidos in situ ou hidrogéis, que não são de outra forma capazes de serem depositados ou fabricados através outros meios tais como a evaporação. Após a funcionalização adicional apropriada (por exemplo, enzimas), estes SPMSs podem ser apropriados para a remediação ambiental3, tal como a limpeza toxinas biológicas, poluentes orgânicos, e agentes químicos e biológicos da guerra4.

Protocol

Cuidado: Consulte as fichas técnicas de segurança relevantes antes da utilização de peróxido de hidrogênio, carbonato de sódio, etanol, cloreto de cálcio e metanol. Assegure-se de usar todo o equipamento de proteção pessoal apropriado que inclui controles de engenharia ao segurar produtos químicos usados neste protocolo.

1. extração de fibroina

  1. Corte 5 g de casulos de seda limpos em ~ 1 cm2 peças pequenas usando tesouras.
  2. Ferver 2 L de água desionizada (DI) numa taça de 2 L numa placa magnética quente uma coifa de extracção.
  3. Adicionar 4,24 g de carbonato de sódio gradualmente e lentamente na água fervente para evitar ferver mais e deixá-lo dissolver com a ajuda de uma barra de agitação magnética.
  4. Aguarde até que a solução comece a ferver novamente e adicione as peças cortadas de casulos na solução. Assegure-se de que toda a seda esteja submersa na solução e mantenha a solução fervente constante agitação por 90 min. Cubra a taça levemente com folha de alumínio e cubra com água pré-aquecida DI regularmente para reabastecer a perda de água devido à evaporação.

2. secagem de fibroína

  1. Retire as fibras de fibrose extraídas da solução de carbonato de sódio com uma haste de vidro ou espátula e lave 3x com 1 L de água pré-aquecida DI para cada lavagem, diminuindo gradualmente a temperatura para cada passo de lavagem (aproximadamente 60 ° c, 40 ° c e temperatura ambiente, 25 ° C).
  2. Espalhe para fora as fibras do fibroína em um 750 o vidro de borosilicato do ml que cristaliza o prato e coloc o em um forno de secagem no ° c 60 a pressão atmosférica e deixe secar durante a noite. Depois de secar, guarde a fibroina num recipiente fechado à temperatura ambiente.

3. dissolução da fibroina

  1. Prepare uma solução ternária (Reagente de Ajisawa) contendo 4,8 g de água de DI, 3,7 g de etanol e 3,1 g de cloreto de cálcio17.
  2. Coloque um balão de fundo redondo de duas cervicais (100 mL) em um banho de água, feito preenchendo um prato de cristalização de vidro de borosilicato de 750 mL com 600 mL de água DI, em cima de uma placa magnética quente. Coloque a solução ternária dentro do balão.
  3. Coloque um termômetro em um dos pescoços para monitorar a temperatura da solução com precisão. Cubra o outro pescoço com folha de alumínio para evitar a secagem da solução devido à evaporação (ou usar um condensador de refluxo refrigerado a água). Aqueça a solução a 80 ° c.
    Nota: Certifique-se de que a lâmpada do termómetro está dentro da solução.
  4. Quando a temperatura da solução estiver estável a 80 ° c, retire a folha de alumínio e adicione 1 g de fibroína seco à solução. Adicione uma barra magnética pequena do stir para assegurar-se de que a solução esteja misturada bem durante todo o processo da dissolução. Cubra o segundo pescoço novamente com folha de alumínio para minimizar a evaporação, mas manter o sistema aberto. Deixar dissolver para 90 min.

4. diálise da solução do fibroína

  1. Após o minuto 90 da dissolução, deixe a solução do fibroína por 10 minutos para refrigerar para baixo à temperatura ambiente.
  2. Tome 1 15 cm longo tubo de diálise (peso molecular Cut-off 12000 − 14000 kDa) e amarrar um nó em uma das duas extremidades. Lave-o por alguns minutos com água de DI running da torneira.
  3. Abra a outra extremidade e despeje a solução de fibroína dentro. Utilizando uma braçadeira metálica, feche a outra extremidade do tubo de diálise assegurando que o tubo esteja fechado o mais firmemente possível. Fixe uma das extremidades do tubo de diálise através de uma tampa de rosca a um frasco de plástico de 30 mL vazio para permitir que o tubo de diálise flutue na água.
  4. Encha um copo de 2 litros com 2 litros de água DI e coloque o tubo de diálise no seu interior. Mude a água em intervalos regulares. Verific a condutividade da água cada vez que é mudada para seguir o processo da diálise. A etapa da diálise termina uma vez que a condutividade da água está abaixo de 10 μS/cm.
    Nota: este processo toma geralmente ao redor 24 − 36 h com 5 mudanças da água.
  5. Após a diálise está completa, corte uma extremidade do tubo de diálise com tesouras e despeje a solução em uma série de 1,5 mL tubos. Então, centrifugue por 5 minutos em 16.000 x g para remover todas as partículas dentro da solução do fibroína. Recolher o sobrenadante num frasco de 30 mL de plástico e armazená-lo a 4 ° c.

5. determinação da concentração da solução de RSF

  1. Pesar uma lâmina de vidro limpa (W1). Adicionar 200 μL de solução de seda (V1).
  2. Deixar a lâmina de vidro num forno a 60 ° c durante 2 h.
  3. Pesar novamente a lâmina de vidro (W2).
  4. Calcule a concentração da solução de seda (w/v) usando a seguinte fórmula:
    Equation 1

6. preparação de tintas para impressão

  1. Prepare a tinta a (volume final 1,5 ml) misturando a solução de fibroína (40 mg/ml), o polietileno glicol 400 (PEG400; 14 mg/ml) e a água deionizada para imprimir o corpo principal dos spmss.
  2. Para a impressão do motor catalítico dos SPMSs, misture a fibroina (40 mg/mL), PEG400 (12 mg/ml), catalase (6 mg/ml com atividade catalítica de > 20000 unidades/mg) e água desionizada para fazer 1,5 ml de tinta B.
  3. Prepare 1,5 mL de tinta C dissolvendo o azul brilhante de Coomassie (0, 5 mg/mL) em metanol.
    Nota: o metanol é usado convertendo as bobinas aleatórias do fibroína às folhas beta rígidas imprimindo a tinta C sobre a tinta a ou a tinta B. o azul brilhante de Coomassie é usado para fornecer uma cor de contraste de spmss para ajudar o seguimento automático dos spmss durante a propulsão.

7. impressão a jato de tinta 3D reativa

Nota: a impressora a jacto de tinta utilizada nestes experimentos baseia-se em dispositivos de jateamento piezo acionados com bicos de vidro. Existem várias impressoras jato de tinta disponíveis comercialmente para pesquisa que podem duplicar essas funções.

  1. Use dispositivos de jato com diâmetro do bocal de 80 μm para imprimir as tintas em um substrato de silício colocado no palco a uma distância de trabalho entre o bocal e o substrato de si-wafer de cerca de 5 mm. As formas geométricas dos SPMSs são definidas digitalmente como uma série de pontos de coordenadas X-Y em um arquivo de planilha.
    Nota: a impressora lê as coordenadas em série e executa a impressora em conformidade. Cada ponto de coordenada faz o jato de impressora uma vez através do dispositivo de jorrando. Arquivos de planilha separados são criados para as tintas A e B (consulte arquivos suplementares [SPMS principal Body. xlsx e SPMS Engine. xlsx]).
  2. Carregue as três tintas (A, B e C) em três reservatórios (1,5 mL cada) e, em seguida, ajuste a contrapressão usando a válvula de contrapressão para cada canal individual para garantir que a tinta não está pingando dos dispositivos de jato.
    Nota: são necessários três dispositivos de jorrando em canais independentes.
  3. Ajuste os parâmetros de jorram (tempo de subida 1, tempo de permanência, tempo de queda, tempo de eco, tempo de ascensão 2, tensão ociosa, tensão de permanência, tensão de eco) para cada canal para garantir que cada tinta dê uma boa formação de gotas estáveis (Figura 2).
    Nota: estes parâmetros são jorrando dispositivo e tinta dependente e precisará ser ajustado em conformidade.
  4. Imprima a camada-por-camada de seda da tinta do fibroína que alterna com o metanol em carcaças lustradas limpas do si-wafer: estágio 1, impressão da tinta A (corpo principal); fase 2: impressão de tinta C (tinta de cura); etapa 3: impressão da tinta B (tinta catalítica para locais do motor); etapa 4: impressão da tinta C (tinta de cura); etapa 5: Repita os estágios 1-4 para as camadas desejadas necessárias (por exemplo, 100).
    Observação: dois projetos de exemplo para os 4 estágios estão incluídos em arquivos suplementares; SPMS principal Body. xlsx é usado para o estágio 1 e o estágio 2, e o SPMS Engine. xlsx é usado para o estágio 3 e o estágio 4.
  5. Imprima dois lotes de fibroína spmss com 200 camadas e 100 camadas de espessura, respectivamente.
    Nota: o motor da catalase está localizado no lado de uma das extremidades de cada agitador. Assim, os agitadores têm um motor catalítico (ver Figura 1 região vermelha).
  6. Para remover as amostras do si-wafers, mergulhe as amostras em água DI e agite suavemente até que o descolamento ocorra.

8. aquisição de dados/rastreamento e análise de trajetória de agitadores autopropulsores

  1. Limpe uma placa de Petri de vidro (9 cm de diâmetro) com água DI assegurando que a superfície está livre de pó.
  2. Uma vez limpo e seco, adicionar 10 mL de pré-filtrado (0,45 μm) 5% w/v H2o2 na placa de Petri e deixar de liquidar. Ilumine a parte inferior da placa de Petri com uma fonte luminosa branca fria do diodo (diodo emissor de luz) e use uma câmera de alta velocidade com a lente macro do zumbido para capturar o movimento de acima. Salve vídeos como arquivos. avi.
    Nota: ver tabela de materiais para detalhes do equipamento utilizado.
  3. Lave os agitadores de seda impressos por 10 minutos submergindo-os em água DI para remover qualquer PEG400não acoplado. Tome cuidadosamente um agitador lavado com a ponta de uma agulha de seringa estéril e coloque-o no centro da placa de Petri. Quando o agitador lavado toca o combustível H2o2 , as bolhas começam a formar-se em torno do motor e observa-se o movimento circular do agitador. Quando o sistema aparece estável (geralmente 10 − 30 s mais tarde), pressione Record no software de gravação para começar a capturar o vídeo.
  4. Realize o rastreamento dos micro agitadores em uma base quadro a quadro, rastreando cada extremidade dos agitadores conforme indicado pelos pontos A e B na Figura 3.
    Nota: isso pode ser feito manualmente ou com o auxílio de software de rastreamento.
  5. A partir dos dados de rastreamento obtidos, calcule a velocidade instantânea entre dois quadros consecutivos (por exemplo, 1 e 2) usando a equação abaixo e a média das velocidades resultantes de toda a sequência para obter a velocidade média instantânea.
  6. Além disso, calcule o ângulo de orientação φ. Em seguida, use a taxa de variação de φ para determinar a velocidade de rotação (Figura 3).
    Equation 2
    Observação: ao calcular velocidades instantâneas de dados de imagem rastreada, é importante que a imagem inicial de um objeto com dimensões conhecidas é tomada para ser capaz de calcular o pixel correto para valores de micrômetro. Esses valores dependerão da câmera, do objetivo e da distância usados. Dependendo do tipo de partícula impressa, escolha diferentes pontos de controle para calcular a velocidade. Por exemplo, aqui os pontos de rastreamento A, B e C (centro de massa) são usados para determinar velocidades instantâneas (Figura 3).

9. caracterização de SPMSs por SEM

  1. Remova SPMSs não utilizados e usados da solução do si-Wafer ou do volume e transfira-os em almofadas pegajosas de carbono largas de 10 milímetros montadas em esboços da microscopia eletrônica da varredura de alumínio (SEM). Seque as amostras num forno de secagem durante 10 min a 60 ° c.
  2. Coloque os esboços da amostra no estágio do coater do Sputter. Revestimento do Sputter (plasma do Argon em 0, 5 Torr) 50-100 nanômetro do ouro nas amostras, assegurando uma cobertura homogênea da superfície do ouro da amostra.
  3. Retire os esboços da amostra do coater e da imagem do Sputter em um SEM o vácuo em 5,0 kV.
    Nota: as tensões de aceleração muito elevadas podem queimar a seda e dar origem a características falsas.

Representative Results

Depois de ferver a seda, espera-se que as fibras secas são cerca de um terço mais leve do que antes, indicando a remoção bem-sucedida de sericina. Durante a dissolução da seda no reagente de Ajisawa, as fibras devem ser completamente dissolvidas, e um líquido viscoso amarelo deve ser recuperado. Após a diálise, a solução de seda deve ser menos viscosa, mas ainda mostrar uma cor ligeiramente amarela. Se a seda se transformou em gel, isto indica que a dissolução não foi feita com sucesso.

As gotas estáveis formadas dos dispositivos de jorramento permitirão a definição mais elevada das amostras impressas. A Figura 2 mostra um exemplo de uma única gota estável para dar bons resultados de impressão, como os agitadores de seda impressos mostrados na Figura 4. É normal, dependendo de como viscoso a tinta é, que a propagação ocorre no substrato.

Dependendo das impressoras Inkjet usadas e do tamanho da gota, a distância entre cada gota impressa precisa de ser ajustada de tal maneira que se sobrepõem para gerar linhas conectadas. Se as gotas são muito distantes, a estrutura impressa vai quebrar. Além do que este, se não bastante as camadas são impressas, há uma possibilidade dos micro-agitadores que quebram quando coloc na solução do combustível. Uma vez que os agitadores foram removidos do substrato e lavado, colocando-os na solução de combustível de peróxido de hidrogênio deve resultar instantaneamente em bolhas que estão sendo formados. A taxa de sucesso da boa liberação da bolha depende fortemente da atividade enzimática; se a atividade da enzima é baixa, menos bolhas formarão assim conduzindo aos resultados pobres da propulsão. A Figura 5 mostra como a morfologia superficial dos agitadores é alterada devido às bolhas serem liberadas das estruturas internas que geram pequenos poros. Um microagitador bem-sucedido parecerá semelhante ao que pode ser visto na Figura 6 e nos dois vídeos suplementares S1 e S2 respectivamente.

Figura 6 mostra ainda quadros de vídeo de dois representativos, 100 camada (Figura 6a) e 200-Layer (Figura 6B) micro-agitadores em 5% H2O2 combustível. As linhas vermelha e verde indicam as trajetórias rastreadas (ver vídeos suplementares S1 e S2). A velocidade de rotação pode ser determinada pela taxa de mudança de orientação (ɸ, Figura 3), como mostra a Figura 7. A comparação de microagitadores dopados com catalase de 100 e 200 camadas mostra um aumento distintivo na velocidade de rotação de ~ 0,6 vezes de 60 ± 6 RPM para 100 ± 10 rpm (Figura 7).

Figure 1
Figura 1: ilustração esquemática da decomposição catalítica de peróxido de hidrogênio em água e oxigênio por catalase incorporado no andaime do agitador em locais desejados (mostrado em vermelho). As bolhas do oxigênio do produto fornecem a propulsão necessária para mover o agitador. Estale por favor aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: as imagens de lapso temporal da formação de gotículas de RSF a partir de um dispositivo de jato (diâmetro do bico 80 μm). Os números abaixo das imagens representam o tempo decorrido, em microssegundos (μs), desde o início da jorriagem da gota de tinta de seda. Estale por favor aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: representação esquemática do rastreamento de partículas em dois quadros consecutivos. A e B indicam pontos de rastreamento e C indica o centro de massa. φ indica o ângulo de orientação. A direção da trajetória do SPMS é indicada pela seta preta curvada. Estale por favor aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Micrografia leve de um micro agitador impresso recentemente RIJ (100 camadas) antes de lavar. A caixa vermelha denota a região dopado catalase (região do motor). Estale por favor aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: imagens de sem do corpo principal e da peça do motor do catalase de um SPMS depois que os poros são dados forma devido à liberação da bolha. Os poros podem ser vistos claramente na superfície do motor nas imagens de SEM dos SPMSs originários da libertação da bolha de oxigénio. (A) micro-agitadores de seda antes da exposição a 5% w/v H2O2 solução de combustível. (B) SPMS de seda após a exposição a 5% w/v H2O2 solução de combustível. As imagens à direita são os alargamentos das regiões vermelhas. Estale por favor aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: quadros de vídeo de dois microagitadores em solução de combustível de 5% mostrando a trajetória ao longo do tempo. (A) 100-camada micro-agitadores. B) microagitadores de camada 200. Estale por favor aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: comparação do ângulo de orientação (φ) para microagitadores de 100 camadas (60 ± 6 RPM) e 200-Layer (100 ± 10 rpm). Estale por favor aqui para ver uma versão maior desta figura.

Vídeo suplementar S1: representante de 100-camada auto-motile micro-agitador em 5% w/v H 2 o seu O 2 o seu passando por propulsão. Por favor clique aqui para baixar este arquivo.

Suplementar vídeo S2: representante 200-camada auto-motile micro-agitador em 5% w/v H 2 o seu O 2 o seu passando por propulsão. Por favor clique aqui para baixar este arquivo.

Discussion

Uma característica chave dos SPMSs produzidos neste protocolo é a habilidade de rapidamente e facilmente projetar formas e estruturas diferentes através de RIJ da seda dopada com as enzimas tais como o catalase e para conseguir o movimento quimicamente conduzido através da propulsão da bolha5. Isto junto com o biocompatibilidade elevado18 destes agitadores fá-los altamente desejáveis para aplicações futuras para ambos os desafios da remediação da água assim como para aplicações do laboratório-em-um-microplaqueta para dispositivos médicos do diagnóstico.

Aqui, a habilidade da propulsão é demonstrada utilizando um projeto simples da linha com uma peça do motor imprimida ao lado dele como mostrado em Figura 1. Os pontos vermelhos representam as peças de motor catalisadas cataleticamente ativas e os pontos azuis representam as partes inativas. Para ser capaz de gerar formas 3D via RIJ, é necessário imprimir várias camadas para gerar uma altura de eixos z. Aqui, os números das camadas depositadas em um si-Wafer eram 100 e 200. Variando o número de camadas, uma diferença na velocidade da propulsão/rotação comparável a depositar o dobro a quantidade de material pode ser encontrada. A fim ter estruturas bem definidas durante a impressão do Inkjet, é importante que os parâmetros de jorrando corretos estão selecionados a fim conseguir um gota bem definido como mostrado em Figura 2. Estes parâmetros variarão de acordo com a tinta usada e os dispositivos de jorar. Se a tinta não produzir gotas estáveis, em seguida, a tinta é mais provável que não é mais adequado para impressão e é mais provável que começa a se transformar em gel. É importante notar que o limite de resolução depende fortemente do tamanho do bocal usado, e os bocais menores permitem uma resolução mais alta e estruturas/partículas menores sendo impressas.

Um exemplo do agitador de seda impresso de RIJ é mostrado na Figura 4, onde a peça de motor dopada catalase (como indicado pela região marcada vermelha) pode ser vista anexada ao lado do corpo principal (Veja também o esquema na Figura 1 para detalhes). O andaime de seda impresso é um material que permite a solução de combustível para difundir em toda a estrutura 3D, e, portanto, as bolhas de oxigênio são formadas durante a decomposição de peróxido de hidrogênio via catalase. As bolhas de oxigênio que estão sendo liberadas geram poros da mícron-escala na estrutura de seda do andaime como pode ser visto comparando os micrografiasde sem antes da exposição ao combustível de h 2 o2 (Figura 5a) e após a exposição de h2o2 ( Figura 5B). A fim assegurar-se de que o movimento seja devido à decomposição do combustível de H2O2 mas não da tensão de superfície conduzida através da liberação do Peg400, é importante que os agitadores estejam imergidos inicialmente na água por um período de pelo menos 10 minutos e testados em di água para o movimento de tensão superficial antes da propulsão na solução de combustível.

O uso de PEG400 permite uma melhor liberação de bolhas da superfície de seda19 como explicado anteriormente por Gregory et al.5 mas também pode dar origem à propulsão acionada por tensão superficial, que pode ser desejável dependendo da aplicação como descrito anteriormente20. Este segundo mecanismo também dá a oportunidade de produzir SPMSs com dois mecanismos que são dependentes do tempo e pode ser vantajoso para determinadas aplicações que, por exemplo, esperar agitação vigorosa inicial no início seguido por mais lento continuou agitação por longos períodos de tempo20.

Concluindo, ao usar o RIJ para produzir dispositivos autopropulsores autônomos, uma vasta gama de formas e tamanhos pode ser facilmente projetada e impressa. Seda como um material de base para os dispositivos dá oportunidades para facilmente encapsular enzimas e outras metades nas estruturas dando a possibilidade de adicionar funções a esses dispositivos.

Disclosures

Os autores não têm nada a divulgar.

Acknowledgments

Os autores gostariam de reconhecer a sustentação do EPSRC através da impressão reactiva do Inkjet de X. Zhao de concessões dos materiais de seda (EP/N007174/1 e EP/N023579/1), S. J. Ebbens carreira Acceleration Fellowship, e sociedade do impacto da tecnologia dos cuidados médicos (EP/J002402/ 1 e EP/N033736/1). Os autores também agradecem ao Dr. Qingyou Xia do laboratório chave do estado da biologia do genoma do Silkworm, Universidade do sudoeste, China para fornecer casulos de seda.

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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