Ipek bazlı kendinden tahrikli mikro karıştırıcılar reaktif Inkjet Baskı ve Itme Analizi

Chemistry
 

Summary

Bu protokol, biyomedikal ve çevresel uygulamalarda kullanılmak üzere Self-motile biyouyumlu ve çevre dostu mikro karıştırıcılar yazdırmak için reaktif inkjet baskı kullanma yeteneğini göstermektedir.

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

Bu çalışmada, enzitatik tahrikli ipek yüzücüleri iyi tanımlanmış şekillerle üretebilmek için reaktif inkjet baskı kullanmanın bir protokolü bildirilmiştir. Elde edilen aygıtlar, harici Aktüasyon olmadan hareket üretebilme yeteneğine sahip kendinden tahrikli nesnelerin bir örneğidir ve tıbbi ve çevresel bilimlerde mikro karıştırma, hedeflenen tedavi teslim, su iyileştirme (örneğin, yağ dökülmeleri Temizleme). Bu yöntem, su çözünür rejenere ipek fibroin (ipek ı) çözünebilir ipek fibroin (ipek II) dönüştürerek iyi tanımlanmış küçük ölçekli katı ipek yapıları oluşturmak için reaktif inkjet baskı kullanır. Bu yapılar Ayrıca, kabarcık üretimi ve dekolmanı yoluyla hareket üretmek için belirli bölgelerde enzim katalaz ile seçmeli olarak katkılı. Yazdırılan katman sayısı, cihazın üç boyutlu (3B) yapısını belirler ve burada bu parametrenin itici yörüngeleri üzerinde etkisi bildirilir. Sonuçlar, yazdırılan yapıların boyutlarını değiştirerek hareketi ayarlama yeteneğini göstermektedir.

Introduction

Yapay kendinden tahrikli mikro-karıştırıcılar (spmss), kimyasal tahrik1,2,3,4 gibi kategorize edilebilir hareket üretmek için tahrik mekanizmaları çeşitli istihdam, 5 , 6 veya fiziksel harici itme. Ortak bir kimyasal itme mekanizması, ya hareket üreten degradeler oluşturmak ya da ayırdığınızda nesneye momentum veren kabarcıklar oluşturmak için Katalitik veya enzimatik aktivite kullanmaktır. Önceki çalışmalar çeşitli katalizör ve kimyasal spmss araştırdı, platin nano opartikülleri ile polistiren boncuklar ve yüzey üzerinde krom adsoryatak dahil1, Altın-Platin Bimetalik Janus nano-çubuklar2, magnezyum Janus Mikro-karıştırıcılar3, mikro-karıştırıcı bir magnezyum çekirdeği ve titanyum dioksit kabuğu ile gömülü altın nanopartiküller4, ve ipek fibroin Janus mikro-roketler ile katalaz gömülü iskele5. Fiziksel itme mekanizmaları manyetik7,8, optik9ve ultrasonik10 tahrik sistemleri, tüm dış fiziksel kaynak tarafından kontrol ediliyor içerir. Amaçlanan uygulamaya bağlı olarak, SPMS boyutu birkaç nanometreden birkaç yüzlerce mikrometre arasında değişebilir. Bu yukarıda belirtilen ve diğer SPMSs potansiyel uygulamalar örnekleri laboratuar-on-a-Chip cihazlar11, yükleme ve in vivo hedeflenen terapi12, çevre iyileştirme 3 ile hastalıkların tıbbi tanısı (örneğin, yağ dökülmeleri Temizleme), ve kimyasal ve biyolojik savaş ajanları Fotokatalitik bozulma, Bacillus anthracis ve sinir maddeleri gibi4. Hedef uygulama bağımlı, bu nedenle mikro karıştırma uygulamaları için taşıma zorlukları veya dönme yörüngeleri için uzun doğrusal yörüngeler gibi belirli yörüngeleri geçmesi SPMSs üretmek mümkün olması arzu edilir. Burada odaklama uygulamaları karıştırma için rotasyonel hareket üzerinde.

SPMSs üretebilmek için tek bir kurulan yöntem yoktur, ancak tıbbi ve çevre uygulamaları için, biyouyumlu, biyolojik olarak çözünebilir, çevre dostu, kolayca kullanılabilir, ucuz ve karmaşık SPMSs kolay imalat sağlar bir malzeme kullanmak esastır sofistike ekipman gerektirmeden. Rejenere ipek fibroin (RSF) aynı zamanda gıda ve Ilaç Idaresi (FDA) tarafından onaylanmış olmak ile birlikte tüm bu parametreleri karşılayan böyle bir malzemedir.

İpek, birçok doğal olarak oluşan fibröz proteinler için kullanılan genel bir terimdir, en yaygın olarak bilinen ipek güvesi larvaları tarafından yapılan bir, bombyx mori, onun pupation önce. Bu kozalar fibrosi, fibröz protein, serisin denilen başka bir protein ile birlikte sıkışmış yapılır. İpek fibroin (SF) mükemmel mekanik özellikleri, biyouyumluluk ve biyodegradability13, bu SPMSs. SF imal için ideal bir seçimdir, yani, ipek ı, II ve III üç polimorfik formları var bulunmuştur. Silk ı, çoğunlukla helisler ve rasgele bobinleri içeren su çözünebilir bir metasür biçimidir; ipek II, çoğunlukla antiparalel β yaprak kristalize ipek içeren su çözünmez bir biçimidir; ve ipek III, ipek çözeltisi su hava arayüzünde bulunan üç boyutlu bir polyglycine II helisel yapıdır. Diğer fibröz proteinler benzer, SF amino asit dizileri tekrar birimleri vardır. Bir koza doğal olarak meydana gelen SF, bu tür yinelenen birimler (GAGAGX) üç ana Hexapeptid etki oluşur, X A, S veya Y olabilir. Hidrojen bağlayıcı ile, (GA) n motifleri antiparalel β levha yapıları daha Van der Waals kuvvetleri ile yığın ve hidrofobik nano kristalizasyonlar form14,15.

Biyouyumluluk daha yüksek bir sıvı ortamda (yakıt) bir konsantrasyon gradyan veya gaz kabarcıkları oluşturmak için doğal enzimler kullanılarak itici tahrik isteyen tarafından iyileştirilebilir. Sonuç olarak, bu çalışmada, sıvı yakıt ortamı olarak kullanılan hidrojen peroksit ile itme üretmek için "motor" olarak kullanılan enzim katalaz. Katalaz, neredeyse tüm yaşayan organizmalarda bulunan bir enzimdir. Hidrojen peroksit (H2O2) debileşimini su ve oksijen16' ya katır. SPMSs 'in enzim sitelerinden gelen oksijen kabarcıklarının salınımı, nesne üzerine bir kuvvet oluşturur ve bu da baloncuk salınımı5 ' in tersi yönde itme sürecine neden olur (Şekil 1).

Katalizör destekli bir SPMS 'de, katalitik sitenin farklı konumlandırma farklı itme davranışı ve yörüngeleri1sonuçlanır. Verimli mikro karıştırıcılar üretme peşinde, bu nedenle, iyi tanımlanmış geometrik şekiller ve motor pozisyonları ile karıştırıcılar imal etmek ve motorun farklı yetkileri karşılaştırmak için gerekli. Burada, bu araştırmalar kolaylaştırmak için, rejenere ipek fibroin SPMSs reaktif inkjet baskı (RıJ) teknolojisi kullanılarak milimetre ölçekte imal nasıl açıklanmıştır. Mürekkep püskürtmeli baskı, malzemelerin birikmesi için temassız bir yöntemdir. Bu basit çeşitli şekiller üreten yüksek hassasiyet ile küçük kompleks yapıların imalat yapar. RıJ iki veya daha fazla farklı reaksiyon malzemesi yatırılır ve istenen ürün malzemesi üretmek için substrat tepki gerçekleşir. Bu nedenle, SPMSs bir katalitik karıştırıcı site kapalı merkezi ile baskılı dönen hareket sonucu nesne asimetrisi verir. Bu yaklaşım ayrıca, bilgisayar destekli tasarım (CAD) tarafından tanımlanan çeşitli şekiller ve tasarım konfigürasyonlarında mikro karıştırıcılar üretimini kolaylaştırır, böylece pratik sırasında istenilen hareketle daha kolay ve daha doğru kontrol edilebilirlik sağlar Uygulama. Son olarak, farklı itici özellikleri sergileyen kalınlık değişen baskı cihazlarının yeteneği gösterilmiştir.

Bu çalışmada, mikrometre milimetre ölçekte RSF ile SPMSs üretim için bir plan sağlar. RSF mikro-karıştırıcılar üretim için RıJ teknolojisinin kullanımı, aksi takdirde yatırılmış veya fabrikasyon yoluyla mümkün değildir situ üretilen iskele veya Hidrojeller gibi malzemelerden mikro karıştırıcılar çok yönlü üretim için kapı açar buharlaşma gibi diğer yollarla. Uygun daha fazla functionalization sonra (örneğin, enzimler), bu SPMSs çevre iyileştirme için uygun olabilir3, biyolojik toksinler temizleme gibi, organik kirleticiler, ve kimyasal ve biyolojik savaş ajanları4.

Protocol

Dikkat: Hidrojen peroksit, sodyum karbonat, etanol, kalsiyum klorür ve metanol kullanmadan önce lütfen ilgili malzeme güvenlik veri sayfalarını başvurun. Bu protokolde kullanılan kimyasalların işlenmesi sırasında Mühendislik kontrolleri de dahil olmak üzere tüm uygun kişisel koruyucu ekipman giymek emin olun.

1. fibroin ekstraksiyonu

  1. Kesme 5 g temizlenmiş ipek kozalar içine ~ 1 cm2 küçük parçalar makas kullanarak.
  2. Bir ekstraksiyon kaputu altında bir manyetik sıcak plaka üzerinde 2 l kabı 2 l deiyonize (dı) su kaynatın.
  3. Üzerinde kaynatma önlemek ve bir manyetik karıştırın Bar yardımıyla çözülür izin kaynar suya giderek ve yavaşça sodyum karbonat 4,24 g ekleyin.
  4. Çözüm tekrar kaynatmaya başlar ve çözüm içine kozalar kesim parçaları eklemek kadar bekleyin. Tüm ipek çözelti içinde kaynatıldığından emin olun ve 90 dk için sürekli karıştırma altında çözelti kaynar tutmak. buharlaşma nedeniyle su kaybını yenilemek için düzenli olarak alüminyum folyo ve ön ısıtılmış dı su ile yukarı hafifçe kap kapağı.

2. fibroin kurutma

  1. Bir cam çubuk veya spatula ile sodyum karbonat solüsyondan çıkarılan fibroin liflerini çıkarın ve her yıkama için 1 L önceden ısıtılmış dı su ile 3x yıkayın, her yıkama adımının sıcaklığını giderek azaltır (yaklaşık 60 °C, 40 °C, ve oda sıcaklığı, 25 °C).
  2. Bir 750 mL borosilikat cam üzerinde fibroin lifleri yaymak çanak kristalizleme ve atmosferik basınç altında 60 °C ' de bir kurutma fırını içine yerleştirin ve gece kurumaya bırakın. Bir kez kurutulmuş, oda sıcaklığında kapalı bir kap içinde fibroin saklayın.

3. fibroin çözünme

  1. Bir üçlü çözüm hazırlamak (Ajisawa 's reaktif) içeren 4,8 g dı su, 3,7 g etanol, ve 3,1 g kalsiyum klorür17.
  2. Bir manyetik sıcak plaka üzerine, bir 750 mL borosilikat cam,, bir Mantı su ile 600 mL kristalizing yemek ile yapılan bir su banyosu içine iki boyun yuvarlak alt Flask (100 mL) yerleştirin. Üçlü solüsyonu Flask içine yerleştirin.
  3. Solüsyon sıcaklığını doğru şekilde izlemek için bir termometre boyunları birine yerleştirin. Evaporasyon nedeniyle çözeltinin kurutulması (veya su soğutmalı reflü kondansatör kullanmak) önlemek için alüminyum folyo ile diğer boyun kapak. Solüsyonu 80 °C ' ye kadar ısıtın.
    Not: termometre ampulünün çözümün içinde olduğundan emin olun.
  4. Solüsyonun sıcaklığı 80 °C ' de kararlı olduğunda, alüminyum folyo çıkarın ve solüsyona 1 gr kurutulmuş fibroin ekleyin. Çözeltinin çözünme süreci boyunca iyi karıştırıldığından emin olmak için küçük bir manyetik karıştırma çubuğu ekleyin. Buharlaşma en aza indirmek ama sistemi açık tutmak için alüminyum folyo ile tekrar ikinci boyun kapağı. 90 dk için çözülür bırakın.

4. fibroin çözeltisi diyaliz

  1. 90 dakika sonra çözünme, oda sıcaklığına soğuması için 10 dakika fibroin solüsyonu bırakın.
  2. 1 15 cm uzunluğunda Dializ tüpü alın (molekül ağırlığı Cut-off 12000 − 14000 kDa) ve iki ucunda bir düğüm bağlayın. Musluk dan çalışan dı su ile birkaç dakika yıkayın.
  3. Diğer ucunu açın ve içinde fibroin çözeltisi dökün. Metal bir kelepçe kullanarak, Dializ tüpünün diğer ucunu kapatın ve tüpün mümkün olduğunca sıkıca kapanmasını sağlar. Dializ tüpünün uçlarını bir vida kapağı üzerinden boş bir 30 mL plastik şişeye takın ve diyaliz tüpünün suda yüzen olmasını sağlar.
  4. 2 l dı su ve içine Dializ tüp yerleştirmek ile iki m kabı doldurun. Suyu düzenli aralıklarla değiştirin. Dializ sürecini takip etmek için her değiştirildiği zaman suyun iletkenliğini kontrol edin. Diyaliz adımı, suyun iletkenliği 10 μS/cm altında olduğunda tamamlanır.
    Not: Bu işlem genellikle 5 su değişimi ile 24 − 36 h civarında sürer.
  5. Diyaliz tamamlandıktan sonra, Dializ tüpünün bir ucunu makas ile kesip 1,5 mL tüplerin bir dizi içine çözüm dökün. Daha sonra, fibroin çözeltisi içindeki parçacıkları çıkarmak için 16.000 x g 'de 5 dakika santrifüjler. 30 ml 'lik plastik şişede süpernatant toplayın ve 4 °c ' de saklayın.

5. RSF çözeltisi konsantrasyonunun belirlenmesi

  1. Temiz bir cam kaydırağı tartın (W1). 200 μL ipek solüsyonu (V1) ekleyin.
  2. Cam kaydırağı 60 °C ' de 2 saat için bir fırında bırakın.
  3. Cam slaytı tekrar tartın (W2).
  4. Aşağıdaki formülü kullanarak ipek çözeltisi (w/v) konsantrasyonunu hesaplayın:
    Equation 1

6. baskı için mürekkepler hazırlanması

  1. A (son Hacim 1,5 mL) fibroin çözeltisi (40 mg/mL), Polietilen glikol 400 (PEG400; 14 mg/ml) ve SPMSs ana gövdesini yazdırmak için deiyonize su karıştırılarak hazırlamak mürekkep.
  2. Spmss katalitik motor baskı için, mix fibroin (40 mg/ml), Peg400 (12 mg/ml), katalaz (6 mg/ml katalitik aktivite ile > 20000 adet/mg) ve deiyonize su yapmak için 1,5 ml mürekkep B.
  3. Hazırlamak 1,5 mL mürekkep C Coomassie parlak mavi (0,05 mg/mL) metanol içinde çözünerek.
    Not: metanol, fibrin rasgele bobinleri sert Beta sayfalarına dönüştürmek için kullanılır, mürekkep A veya mürekkep üzerine C mürekkebi basarak B. Coomassie parlak mavi tahrik sırasında SPMSs otomatik izleme yardımcı olmak için SPMSs zıt bir renk sağlamak için kullanılır.

7. reaktif inkjet 3D baskı

Not: Bu deneylerde kullanılan inkjet yazıcı, cam nozullu piezo aktüasyonlu jeti cihazlarına dayanmaktadır. Bu fonksiyonları çoğaltmak için araştırma için çeşitli ticari mürekkep püskürtmeli yazıcılar vardır.

  1. 80 μm meme çapına sahip jeti cihazlarını, meme ve yaklaşık 5 mm 'lik si-Wafer substrat arasındaki çalışma mesafesine sahne üzerine yerleştirilen silikon substrat üzerindeki mürekkepleri yazdırmak için kullanın. SPMSs 'in geometrik şekilleri, bir elektronik tablo dosyasında X-Y koordinatlarının bir dizi noktası olarak dijital olarak tanımlanır.
    Not: yazıcı koordinatlarını seri olarak okur ve yazıcıyı buna göre çalıştırır. Her koordinat noktası yazıcı jeti jeti aygıtı aracılığıyla bir kez yapar. Ayrı elektronik tablo dosyaları A ve B mürekkepleri için oluşturulur (bkz. ek dosyalar [SPMs ana gövde. xlsx ve SPMs Engine. xlsx]).
  2. Üç mürekkepleri (A, B ve C) üç rezervuar (1,5 ml) içine yükleyin ve sonra mürekkep jeti cihazlardan damlama olmadığından emin olmak için her bir kanal için Half Vana kullanarak Half ayarlayın.
    Not: bağımsız kanallarda üç jeti cihazı gereklidir.
  3. Her bir mürekkebin iyi bir kararlı damlacık oluşumu verdiğinden emin olmak için her kanal için jeti parametrelerini (artış süresi 1, bekleme süresi, sonbahar süresi, Eko süresi, artış süresi 2, boşta voltaj, bekleme voltajı, yankı voltajı) ayarlayın (Şekil 2).
    Not: Bu parametreler, aygıt ve mürekkep bağımlı jeti ve buna göre ayarlanması gerekir.
  4. İpek fibroin mürekkep tabaka-by-Layer metanol ile alternatif temiz cilalı si-Wafer substratlar: 1 aşama, mürekkep A (ana gövde) baskı yazdırın; Aşama 2: Mürekkep C baskı (kür mürekkep); Aşama 3: mürekkep B baskı (motor siteleri için Katalitik mürekkep); Aşama 4: Mürekkep C baskı (kür mürekkep); Aşama 5: istenilen katmanlar için (örn., 100) 1-4 aşamalarını tekrarlayın.
    Not: 4 aşama için Iki örnek tasarımlar ek dosyalaradahil edilir; SPMS ana gövde. xlsx Aşama 1 ve Aşama 2 için kullanılır ve SPMS Engine. xlsx aşama 3 ve Aşama 4 için kullanılır.
  5. Sırasıyla 200 katmanları ve 100 katmanları kalınlığı ile fibroin SPMSs iki toplu yazdırın.
    Not: katalaz motoru her karıştırıcı bir ucunu tarafında bulunur. Böylece, karıştırıcılar bir katalizör motoruna sahiptir (bkz. Şekil 1 kırmızı bölge).
  6. Numuneleri si-goferlerden çıkarmak için, numuneleri dı suyuna daldırın ve dekolmanı ortaya çıkana kadar yavaşça karıştırın.

8. kendinden tahrikli karıştırıcılar veri edinme/izleme ve yörünge Analizi

  1. Cam Petri tabağı (9 cm çapında), dı suyuyla yüzeyin tozsuz olmasını sağlayarak temizleyin.
  2. Bir kez temiz ve kuru, 10 mL önceden filtrelenmiş (0,45 μm) ekleyin 5% w/v H2O2 Petri tabak içine ve yerleşmek için bırakın. Serin beyaz ışık yayan diyot (LED) ışık kaynağı ile Petri tabağı alt ışık ve yukarıdaki hareketi yakalamak için makro zoom lens ile yüksek hızlı bir kamera kullanın. Videoları. avi dosyaları olarak kaydedin.
    Not: kullanılan ekipmanların detayları için malzeme tablosuna bakın.
  3. Herhangi bir ilişkisiz PEG400KALDıRMAK için dı suda onları alt ederek 10 dakika baskılı ipek karıştırıcılar yıkayın. Dikkatle steril bir şırınga iğne ucu ile bir yıkanmış karıştırıcı almak ve Petri çanak ortasına yerleştirin. Yıkanan karıştırıcı H2O2 yakıtı dokunduğunda, kabarcıklar motor etrafında şekillendirme başlar ve karıştırıcı dairesel hareket görülür. Sistem istikrarlı göründüğünde (genellikle 10 − 30 s daha sonra), videoyu yakalamayı başlatmak için kayıt yazılımındaki kayıt tuşuna basın.
  4. Şekil 3' te a ve B noktalarıyla belirtildiği gibi, karıştırıcılar her ucunu takip, çerçeve temelinde bir çerçeve üzerinde mikro karıştırıcılar izleme gerçekleştirin.
    Not: Bu manuel veya izleme yazılımı yardımıyla yapılabilir.
  5. Elde edilen izleme verilerinden, aşağıdaki denklemini kullanarak ardışık iki kare (örn. 1 ve 2) arasındaki anlık hızı hesaplayın ve ortalama anlık hız elde etmek için tüm diziden elde edilen hızları ortalamanın.
  6. Buna ek olarak, oryantasyon φ açısını hesaplayın. Sonra dönme hızını belirlemek için φ değişim hızını kullanın (Şekil 3).
    Equation 2
    Not: izlenen görüntü verilerinden anlık hızları hesaplarken, bilinen ölçümlendirmelere sahip bir nesnenin ilk görüntüsünün doğru pikseli mikrometre değerlerine göre hesaplayabilmek için alınması önemlidir. Bu değerler kamera, objektif ve kullanılan mesafeye bağlı olacaktır. Yazdırılan parçacık tipine bağlı olarak, hızı hesaplamak için farklı izleme noktaları seçin. Örneğin, burada izleme noktaları A, B ve C (Kütle Merkezi) tüm anlık hızları belirlemek için kullanılır (Şekil 3).

9. SEM tarafından SPMSs karakterizasyonu

  1. Kullanılmayan ve kullanılan SPMSs 'i si-Wafer veya Bulk solüsyondan çıkarın ve alüminyum Tarama elektron mikroskobu (SEM) sapları üzerine monte edilen 10 mm genişliğinde karbon yapışkan pedleri üzerine aktarın. 60 °C ' de 10 dakika kurutma fırınında numuneleri kurutun.
  2. Örnek saplamaları sputter kaplayıcı aşamasına yükleyin. Sputter ceket (argon plazma at 0,05 Torr) 50 – 100 numune üzerine altın Nm, numunenin homojen bir altın yüzey kapsamı sağlanması.
  3. 5,0 kV 'lik vakum altında bir SEM 'de sputter kaplayıcı ve görüntü örnek sapları çıkarın.
    Not: çok yüksek ivme voltajları ipek yakmak ve yanlış özelliklere yol verebilir.

Representative Results

İpek kaynattıktan sonra, Kuru liflerin önce daha bir üçüncü hafif etrafında olduğunu bekleniyor, serisin başarılı bir şekilde kaldırılması gösteren. Ajisawa 'nın reaktif içinde ipek çözülme sırasında, lifler tamamen çözünmüş olmalıdır, ve sarı bir viskoz sıvı kurtarılmalıdır. Diyaliz sonrası, ipek çözeltisi daha az viskoz olmalıdır ama hala biraz sarı renk gösterir. İpek jel dönüşmüş ise, bu çözünme başarıyla yapılmadığını gösterir.

Jeti cihazlardan oluşan istikrarlı damlacıklar, yazdırılan numunelerin daha yüksek tanımına olanak sağlayacaktır. Şekil 2 , Şekil 4' te gösterilen baskılı ipek karıştırıcılar gibi iyi baskı sonuçları vermek için istikrarlı tek damlacık örneği gösterir. Mürekkebin ne kadar viskoz olduğuna bağlı olarak, bu da substrat üzerinde ortaya çıkan normaldir.

Kullanılan mürekkep püskürtmeli yazıcılar ve damlacık boyutu bağlı olarak, her yazdırılan damlacık arasındaki uzaklık bağlı çizgiler oluşturmak için örtüşmesi gibi bir şekilde ayarlanması gerekir. Eğer damlacıklar çok uzaksa, baskılı yapı dağılacaktır. Buna ek olarak, yeterli katmanlar basıldığında, yakıt çözeltisi içine yerleştirildiğinde kırma mikro-karıştırıcılar bir şans vardır. Karıştırıcı substrat kaldırıldı ve yıkandıktan sonra, hidrojen peroksit yakıt çözeltisi içine yerleştirerek anında kabarcıklar oluşmuş neden olmalıdır. İyi kabarcık salınımı başarı oranı güçlü enzim aktivitesine bağlıdır; Enzim aktivitesi düşükse, daha az kabarcıklar böylece kötü itici sonuçlara yol açacaktır. Şekil 5 karıştırıcılar yüzey morfolojisi küçük gözenekleri üreten iç yapılardan serbest bırakılmış kabarcıklar nedeniyle nasıl değiştirildiğini gösterir. Başarılı bir mikro karıştırıcı Şekil 6 ve Iki ek videolar S1 ve S2 sırasıyla görülebilir olanlara benzer görünecektir.

Şekil 6 hala iki temsilcisi, 100 katmanlı (Şekil 6a) ve 200 katmanlı (Şekil 6B) mikro karıştırıcılar% 5 H2O2 yakıt video çerçeveleri gösterir. Kırmızı ve yeşil çizgilerle izlenen yörüngeleri gösterir (bkz. ek videolar S1 ve S2). Dönme hızı, Şekil 7' de gösterildiği gibi oryantasyon değişimi (ɸ, Şekil 3) oranı ile tespit edilebilir. 100-katman ve 200-katmanlı katalaz katkılı mikro karıştırıcılar karşılaştırması, ~ 0,6 katlanır dönme hızındaki farklı bir artışı 60 ± 6 RPM 'den 100 ± 10 rpm 'ye (Şekil 7) gösterir.

Figure 1
Resim 1: hidrojen peroksit, istenilen yerlerde (kırmızı olarak gösterilen) karıştırıcı iskelenin içine gömülü katalaz tarafından su ve oksijeni katalizör dökümünü şematik Illustration. Ürün oksijen kabarcıkları karıştırıcı taşımak için gerekli itme sağlar. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: RSF 'in bir jeti cihazından (Meme çapı 80 μm) damlacık oluşumunun zaman atlamalı görüntüleri. Görüntülerin altındaki sayılar, ipek mürekkep damlacık jetlerinin başlaması nedeniyle, mikrosaniyede (μs) geçen süreyi temsil eder. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: iki ardışık çerçevenin üzerinde parçacık takibinin şematik gösterimi. A ve B izleme noktalarını gösterir ve C kütle merkezini gösterir. φ oryantasyon açısını gösterir. SPMS yörünge yönü eğri siyah ok ile belirtilir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: yıkanmadan önce yeni BIR RıJ baskılı mikro karıştırıcı (100 kat) ışık mikrograf. Kırmızı kutu katalaz katkılı bölgeyi (motor bölgesi) gösterir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 5
Şekil 5: kabarcık salınımı nedeniyle gözeneklerden sonra ana gövdenin ve katalaz motorunun SEM görüntüleri BIR SPMS parçası olarak oluşur. Gözenekleri açıkça oksijen kabarcık serbest kaynaklanan SPMSs SEM görüntülerde motor yüzeyinde görülebilir. (A) Silk Micro-karıştırıcı% 5 w/v H2O2 yakıt solüsyona maruz kalmadan önce. (B) Ipek SPMs% 5 w/v H2O2 yakıt çözeltisi maruz kaldıktan sonra. Sağdaki görüntüler kırmızı bölgelerin genişlemeler vardır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 6
Şekil 6: zaman içinde yörünge gösteren% 5 yakıt çözeltisi iki mikro-karıştırıcılar video çerçeveleri. (A) 100-tabaka mikro-karıştırıcılar. (B) 200-tabaka mikro karıştırıcılar. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 7
Şekil 7:100-katman (60 ± 6 rpm) ve 200 katmanlı (100 ± 10 rpm) mikro karıştırıcılar için oryantasyon açısının (φ) karşılaştırılması. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Ek video S1: temsilci 100-katman Self-motile mikro karıştırıcı% 5 w/v H 2 O 2 itme gücü . Bu dosyayı indirmek Için lütfen buraya tıklayın.

Ek video S2: temsilci 200-katman Self-motile mikro karıştırıcı% 5 w/v H 2 O 2 itme gücü . Bu dosyayı indirmek Için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

Bu protokolde üretilen SPMSs önemli bir özelliği hızlı ve kolay bir şekilde katalaz gibi enzimler ile katkılı ipek RıJ üzerinden farklı şekiller ve yapılar tasarımı ve kabarcık itici5ile kimyasal tahrik hareket elde etmektir. Bu birlikte yüksek biyouyumluluk ile18 Bu karıştırıcılar hem su iyileştirme zorlukları yanı sıra tıbbi tanı cihazları için laboratuar-on-a-çip uygulamaları için gelecekteki uygulamalar için onları son derece arzu yapar.

Burada, itme yeteneği, Şekil 1' de gösterildiği gibi, bir motor parçası tarafından baskılı basit bir çizgi tasarımı kullanılarak gösterilmiştir. Kırmızı noktalar katalase aktif katalaz katkılı motor parçalarını temsil eder ve mavi noktalar aktif olmayan parçaları temsil eder. RıJ üzerinden 3B şekiller oluşturabilmek için, z eksenleri yüksekliği oluşturmak amacıyla birden fazla katman yazdırmak gerekir. Burada, bir si-Wafer üzerine yatırılan katmanlar sayısı 100 ve 200 idi. Katmanların sayısını değiştirerek, itiş hızı/rotasyon farkı iki kat malzeme miktarını yatırarak karşılaştırılabilir bulunabilir. İnkjet baskı sırasında iyi tanımlanmış yapıların olması için, Şekil 2' de gösterildiği gibi iyi tanımlanmış bir damlacık elde etmek için doğru jeti parametrelerinin seçilmesi önemlidir. Bu parametreler, kullanılan mürekkeple ve jeti cihazlarına göre farklılık gösterecektir. Mürekkep istikrarlı damlacıklar üretemez, o zaman mürekkep büyük olasılıkla artık baskı için uygun ve en büyük olasılıkla jel dönüşmeye başlıyor. Çözünürlük sınırının güçlü bir şekilde kullanılan nozul boyutuna bağlı olduğunu ve daha küçük nozulu daha yüksek çözünürlüklü ve daha küçük yapıların/partiküllerin basılmasını sağlar.

RIJ baskılı ipek karıştırıcı örneği, katalaz katkılı motor parçasının (kırmızı işaretli bölge tarafından belirtildiği gibi) ana gövdenin tarafına bağlı olarak görüleceği Şekil 4' te gösterilir (Ayrıntılar için Şekil 1 ' de şematik bakın). Baskılı ipek iskele tüm 3D yapısı boyunca difüzor yakıt çözümü için izin veren bir malzemedir, ve böylece oksijen kabarcıkları katalaz yoluyla hidrojen peroksit ayrışma sırasında oluşur. H 2 o2 yakıt (Şekil 5A) ve sonra h2o2 maruz kalma önce SEM MİKROGRAFİ karşılaştırarak görülebilir gibi oksijen kabarcıkları yayımlanan olan ipekiskele yapısında mikron ölçekli gözenekler oluşturmak ( Şekil 5B). Bu hareketin H2O2 yakıt ayrışma nedeniyle olduğundan emin olmak için ama değil yüzey gerilimi Peg400sürümü ile tahrik, bu karıştırıcılar başlangıçta en az 10 dakika bir süre için suya batırılmış ve dı test önemlidir yakıt çözeltisi itici önce yüzey gerilimi hareket için su.

PEG400 kullanımı daha önce Gregory et al.5 tarafından açıklandığı gibi ipek yüzeyi19 kabarcıkların daha iyi serbest bırakılması için izin verir ama aynı zamanda uygulama bağlı olarak arzu edilebilir yüzey gerilimi tahrik itici, yol verebilir daha önce20açıklanmıştır. Bu ikinci mekanizma da zaman bağımlıdır ve örneğin ilk güçlü karıştırma beklemek olacak belirli uygulamalar için avantajlı olabilir iki mekanizmaları ile SPMSs üretmek için fırsat verir daha yavaş devam takip uzun süre boyunca karıştırma20.

Sonuç olarak, otonom kendinden tahrikli cihazlar üretmek için RıJ kullanarak, geniş bir yelpazede şekiller ve boyutlar kolayca tasarlanmış ve basılabilir. Cihazlar için temel malzeme olarak ipek, bu cihazlara fonksiyon ekleme imkanı veren yapılara enzimleri ve diğer moisanları kolayca kapsülleyecek fırsatlar sunar.

Disclosures

Yazarların ifşa etmesi gereken hiçbir şey yok.

Acknowledgments

Yazarlar, X. Zhao 'nun ipek malzeme ödüllerinin reaktif inkjet baskısı (EP/N007174/1 ve EP/N023579/1), S. J. Ebbens kariyer Ivme Bursu ve sağlık teknolojisi etki Bursu (EP/J002402/ 1 ve EP/N033736/1). Yazarlar ayrıca Silk cocoons sağlamak için ipek solucanı genom biyoloji, Southwest Üniversitesi, Çin Devlet anahtar Laboratuvarı 'ndan Dr. Qingyou Xia teşekkür ederiz.

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