Reactieve Inkjet Printing en voortstuwings analyse van zijde-gebaseerde zelfrijdende micro-roeren

Chemistry
 

Summary

Dit protocol toont de mogelijkheid om reactieve inkjet printen te gebruiken om zelf beweeglijke biocompatibele en milieuvriendelijke micro-roer werkers af te drukken voor gebruik in biomedische en milieutoepassingen.

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

In deze studie, een protocol voor het gebruik van reactieve inkjet printen te fabriceren enzymatische aangedreven zijde zwemmers met goed gedefinieerde vormen wordt gemeld. De resulterende apparaten zijn een voorbeeld van zelfrijdende voorwerpen kunnen genereren beweging zonder externe bediening en hebben potentiële toepassingen in de geneeskunde en milieuwetenschappen voor een verscheidenheid van doeleinden, variërend van micro-roeren, gericht therapeutische levering, tot watersanering (bijv. reiniging van olielozingen). Deze methode maakt gebruik van reactieve inkjet printen om goed gedefinieerde kleinschalige Solid Silk structuren te genereren door het omzetten van water oplosbare geregenereerde zijde fibroin (zijde I) tot onoplosbare zijde fibroin (zijde II). Deze structuren zijn ook selectief gedoopt in specifieke regio's met het enzym catalase om beweging te produceren via Bubble generatie en onthechting. Het aantal geprinte lagen bepaalt de driedimensionale (3D) structuur van het apparaat, en dus wordt hier het effect van deze parameter op de voortstuwings trajecten gerapporteerd. De resultaten tonen de mogelijkheid om de beweging af te stemmen door de afmetingen van de gedrukte structuren te variëren.

Introduction

De kunstmatige zelfrijdende micro-roeren (SPMSs) wenden een verscheidenheid van aandrijvings mechanismen aan om motie te veroorzaken, die als of chemische aandrijving1,2,3,4kan worden gecategoriseerd, 5 , 6 of fysieke externe voortstuwing. Een gemeenschappelijke chemische voortstuwing mechanisme is het gebruik van katalytische of enzymatische activiteit ofwel het genereren van beweging produceren gradiënten of bellen die impuls geven aan het object wanneer ze los te genereren. Eerdere studies hebben onderzocht verschillende katalytische en chemische SPMSs, met inbegrip van polystyreen kralen met platina nanodeeltjes en chroom geadsorbeerd op het oppervlak1, goud-platina Bimetaal Janus nano-staven2, magnesium Janus Micro-roeren3, micro-roeren gemaakt van een magnesium kern en titaandioxide schelp met embedded goud nanodeeltjes4, en zijde fibroin Janus micro-raketten met catalase ingebed in de steiger5. De fysieke aandrijvings mechanismen omvatten magnetische7,8, optische9, en ultrasone10 aandrijvingssystemen, allen die door een externe fysieke bron worden gecontroleerd. Afhankelijk van de beoogde toepassing, SPMS grootte kan variëren van een paar nanometer tot enkele honderden micrometers. Voorbeelden van mogelijke toepassingen van deze bovengenoemde en andere SPMSs zijn medische diagnose van ziekten met lab-on-a-chip apparaten11, laden en in vivo gerichte levering van therapeuten12, milieusanering3 (bijv. reiniging olielozingen), en fotokatalytische afbraak van chemische en biologische oorlogvoering agenten, zoals Bacillus anthracis en zenuwen agenten4. Doeltoepassing afhankelijk is, is het daarom wenselijk om SPMSs te kunnen produceren die specifieke trajecten ondergaan, zoals lange lineaire trajecten voor transportuitdagingen of rotatie trajecten voor micro Meng toepassingen. De nadruk ligt hier op rotatie motie voor het bewegen van toepassingen.

Er is geen enkele gevestigde methode om SPMSs te fabriceren, maar voor medische en milieu-toepassingen, is het essentieel om een materiaal dat is biocompatibel, biologisch afbreekbaar, eco-vriendelijk, gemakkelijk beschikbaar, goedkoop en maakt het gemakkelijk fabricatie van complexe SPMSs te gebruiken zonder geavanceerde apparatuur. Geregenereerde Silk fibroin (RSF) is een dergelijk materiaal dat al deze parameters voldoet samen met zijn ook goedgekeurd door de Food and Drug Administration (FDA).

Silk is een generieke term die wordt gebruikt voor verschillende natuurlijk voorkomende vezelige eiwitten, waarvan de meest bekende is degene die door de larven van de zijde mot, Bombyx Mori, vóór de verpoppen. Deze cocons zijn gemaakt van fibroin, een vezelig eiwit, geplakt samen met een ander eiwit genaamd sericine. Silk fibroin (SF) is gebleken dat uitstekende mechanische eigenschappen hebben, biocompatibiliteit, en biologische afbreekbaarheid13, waardoor het een ideale keuze voor het fabriceren van SPMSS. SF bestaat in drie polymorfisme vormen, namelijk zijde I, II, en III. Silk I is een in water oplosbare metastabiele vorm met voornamelijk helixen en willekeurige spoelen; zijde II is een in water onoplosbare vorm die hoofdzakelijk Antiparallel β bladen van gekristalleerde zijde bevat; en Silk III is een drievoudige polyglycine II spiraalvormige structuur die bestaat op de water-lucht interface van de zijde oplossing. Vergelijkbaar met andere vezelachtige eiwitten, SF heeft herhalende eenheden van aminozuur sequenties. De natuurlijk voorkomende SF van een cocon bestaat uit drie belangrijke hexapeptide domeinen van dergelijke herhalende eenheden (GAGAGX), terwijl X kan worden A, S, of Y. Door de band van de waterstof, de (ga) n motieven van Antiparallel β de structuren van het blad verdere stapel door van der Waals krachten en vorm hydrofobe nano kristallisatie14,15.

Biocompatibiliteit kan verder worden verbeterd door te streven naar aandrijving met behulp van natuurlijk voorkomende enzymen om een concentratiegradiënt of gas bellen in een vloeibaar medium (brandstof) te genereren. Bijgevolg, in deze studie, het enzym catalase wordt gebruikt als de "motor" om voortstuwing te genereren met waterstofperoxide wordt gebruikt als de waterige brandstof medium. Catalase is een enzym dat in bijna alle levende organismen wordt gevonden. Het katalyseert de decompositie van waterstofperoxide (H2O2) in water en zuurstof16. De afgifte van zuurstof bubbels van de enzym sites van de SPMSs genereert een kracht op het object waardoor het te ondergaan voortstuwing in de tegenovergestelde richting van de Bubble release5 (Figuur 1).

In een katalytisch gedreven SPMS resulteert de verschillende positionering van de katalytische site in verschillende voortstuwings gedrag en trajecten1. In de uitoefening van het genereren van efficiënte micro-roeren, is het daarom noodzakelijk om roeren te fabriceren met goed gedefinieerde geometrische vormen en motor posities en vergelijk de verschillende bevoegdheden van de motor. Hier, om deze onderzoeken te vergemakkelijken, wordt beschreven hoe geregenereerde zijde fibroin SPMSs zijn vervaardigd op millimeter schaal met behulp van reactieve Inkjet Printing (RIJ) technologie. Inkjet Printing is een niet-contact methode voor de afzetting van materialen. Dit maakt de fabricage van kleine complexe structuren met een hoge precisie in het genereren van verschillende vormen eenvoudig. RIJ vindt plaats wanneer twee of meer verschillende reagerende materialen worden gedeponeerd en reageren op het substraat om het gewenste product materiaal te produceren. Daarom, SPMSs bedrukt met een katalytische roerder site uit het midden geeft het object asymmetrie dat resulteert in rotatiebeweging. Deze aanpak maakt het ook eenvoudig om micro-roeren te vervaardigen in een verscheidenheid van vormen en ontwerp configuraties gedefinieerd door computer-aided design (CAD), waardoor gemakkelijker en nauwkeuriger controleerbaarheid op de gewenste beweging tijdens de praktische Toepassingen. Ten slotte is het vermogen van het afdrukken van apparaten met verschillende diktes die verschillende voortstuwing eigenschappen vertonen wordt aangetoond.

Deze studie biedt een blauwdruk voor de productie SPMSs met RSF op micrometer tot millimeter schaal. Het gebruik van RIJ technologie voor de productie van RSF micro-roerwerken opent de deur voor de zeer veelzijdige productie van micro-roeren uit materialen zoals in situ geproduceerd steigers of hydrogels, die niet anders kunnen worden gedeponeerd of gefabriceerd door andere middelen, zoals verdamping. Na aangewezen verdere functionalization (b.v., enzymen), kunnen deze SPMSs voor milieusanering3geschikt zijn, zoals het schoonmaken van biologische toxine, organische verontreinigende stoffen, en chemische en biologische oorlogvoerings agenten4.

Protocol

Let op: Raadpleeg de relevante Material Safety datasheets voor het gebruik van waterstofperoxide, natriumcarbonaat, ethanol, calciumchloride en methanol. Zorg ervoor dat alle geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen, met inbegrip van technische controles, worden gedragen tijdens de behandeling van chemicaliën in dit protocol.

1. extractie van fibroin

  1. Snijd 5 g gereinigde zijden cocon in ~ 1 cm2 kleine stukjes met een schaar.
  2. Kook 2 L van deioniseerde (DI) water in een bekerglas van 2 L op een magnetische hete plaat onder een afzuigkap.
  3. Toe te voegen 4,24 g natriumcarbonaat geleidelijk en langzaam in het kokende water om te voorkomen dat koken over en laat het oplossen met de hulp van een magnetische roer bar.
  4. Wacht tot de oplossing begint te koken weer en voeg de cut stukjes cocons in de oplossing. Zorg ervoor dat alle zijde wordt ondergedompeld in de oplossing en houd de oplossing koken onder constante roeren voor 90 min. Bedek het bekerglas licht met aluminiumfolie en top up met voorverwarmde DI water regelmatig aan te vullen waterverlies als gevolg van verdamping.

2. drogen van fibroin

  1. Verwijder de geëxtraheerde fibroin vezels uit het natriumcarbonaat oplossing met een glazen staaf of spatel en wassen 3x met 1 L van voorverwarmde DI water voor elke wasbeurt, geleidelijk verminderen van de temperatuur voor elke wasbeurt (ongeveer 60 ° c, 40 ° c, en kamertemperatuur, 25 °C).
  2. Verspreid de fibroin vezels op een 750 mL borosilicaatglas glas kristalliseren schotel en plaats deze in een drogen oven op 60 ° c onder atmosferische druk en laat drogen 's nachts. Eenmaal gedroogd, bewaar de fibroin in een gesloten container bij kamertemperatuur.

3. ontbinding van fibroin

  1. Bereid een sternale oplossing (het reagens van Ajisawa) voor die 4,8 g van DI water, 3,7 g van ethylalcohol, en 3,1 g van calciumchloride17bevat.
  2. Plaats een twee-hals ronde bodem kolf (100 mL) in een waterbad, gemaakt door het vullen van een 750 mL borosilicaatglas glas kristalliseren schotel met 600 mL DI water, op de top van een magnetische hete plaat. Plaats de Stern oplossing in de kolf.
  3. Plaats een thermometer in een van de nek om de oplossing temperatuur nauwkeurig te controleren. Bedek de andere nek met aluminiumfolie om te voorkomen dat de oplossing wordt gedroogd door verdamping (of gebruik een watergekoelde reflux condensator). Verhit de oplossing tot 80 °C.
    Opmerking: Zorg ervoor dat de lamp van de thermometer binnen de oplossing.
  4. Wanneer de temperatuur van de oplossing bij 80 °C stabiel is, verwijder dan de aluminiumfolie en voeg 1 g gedroogde fibroin toe aan de oplossing. Voeg een kleine magnetische roerstaaf toe om ervoor te zorgen dat de oplossing goed door het ontbindings proces wordt gemengd. Bedek de tweede nek weer met aluminiumfolie om de verdamping te minimaliseren, maar houd het systeem open. Verlof om op te lossen voor 90 min.

4. dialyse van fibroin oplossing

  1. Na 90 min van ontbinding, laat de fibroin oplossing voor 10 minuten om af te koelen tot kamertemperatuur.
  2. Neem 1 15 cm lange dialyse buis (molecuulgewicht cut-off 12000 − 14.000 kDa) en bind een knoop in een van de twee uiteinden. Was het voor een paar minuten met stromend DI water uit de kraan.
  3. Open het andere uiteinde en giet de fibroin oplossing binnen. Met behulp van een metalen klem, sluit het andere uiteinde van de dialyse buis ervoor te zorgen dat de buis zo strak mogelijk gesloten. Bevestig een van de uiteinden van de dialyse buis via een schroef dop op een lege 30 mL plastic flacon om de dialyse buis te zweven in het water.
  4. Vul een 2 L beker met 2 L DI water en plaats de dialyse buis erin. Verander het water op gezette tijden. Controleer de geleidbaarheid van het water elke keer dat het wordt veranderd om het dialyse proces te volgen. De dialyse stap eindigt zodra de geleidbaarheid van het water is minder dan 10 µS/cm.
    Nota: dit proces vergt gewoonlijk rond 24 − 36 h met 5 veranderingen van water.
  5. Na dialyse is voltooid, snijd het ene uiteinde van de dialyse buis met een schaar en giet de oplossing in een reeks van 1,5 mL buizen. Dan, centrifugeer voor 5 min bij 16.000 x g om om het even welke deeltjes binnen de fibroin oplossing te verwijderen. Verzamel de bovendrijvende in een plastic flacon van 30 mL en bewaar deze op 4 °C.

5. bepaling van de concentratie van de RSF oplossing

  1. Weeg een schone glazen glijbaan (W1). Voeg 200 µ L zijde oplossing (V1) toe.
  2. Laat de glazen glijbaan in een oven bij 60 °C voor 2 uur.
  3. Weeg de glazen glijbaan weer (W2).
  4. Bereken de concentratie van de zijde oplossing (w/v) met behulp van de volgende formule:
    Equation 1

6. bereiding van inkten voor het afdrukken

  1. Bereid inkt A (eindvolume 1,5 mL) voor met het mengen van de fibroin-oplossing (40 mg/mL), polyethyleenglycol 400 (PEG400; 14 mg/ml) en deioniseerde water voor het afdrukken van het hoofdgedeelte van de SPMSs.
  2. Voor het afdrukken van de katalytische motor van de SPMSs, meng fibroin (40 mg/mL), PEG400 (12 mg/ml), catalase (6 mg/ml met katalytische activiteit van > 20000 eenheden/mg) en deioniseerde water om 1,5 ml inkt B te maken.
  3. Bereid 1,5 mL inkt C door het oplossen van Coomassie briljante blauw (0,05 mg/mL) in methanol.
    Opmerking: methanol wordt gebruikt voor het omzetten van de fibroin willekeurige spoelen om stijve Beta vellen door het afdrukken van inkt C op de top van inkt A of inkt B. Coomassie briljante blauw wordt gebruikt om een contrasterende kleur van SPMSs te bieden aan de auto tracking van de SPMSs tijdens voortstuwing steun.

7. reactieve inkjet 3D printen

Nota: de inkjet printer die in deze experimenten wordt gebruikt is gebaseerd op piezo aangedreven jetting apparaten met glas sproeiers. Er zijn verschillende commercieel verkrijgbare inkjet printers voor onderzoek dat deze functies kan dupliceren.

  1. Gebruik jetting apparaten met 80 μm nozzle diameter voor het afdrukken van de inkten op een silicium substraat geplaatst op het podium op een werkafstand tussen het mondstuk en de si-wafer substraat van ongeveer 5 mm. De geometrische vormen van de SPMSs worden digitaal gedefinieerd als een reeks punten van X-Y-coördinaten in een werkbladbestand.
    Opmerking: de printer leest de coördinaten in afleveringen en voert de printer dienovereenkomstig uit. Elk coördinaten punt maakt de printer straal eenmaal via het jetting-apparaat. Afzonderlijke spreadsheetbestanden worden gemaakt voor inkten A en B (Zie aanvullende bestanden [SPMS main body. XLSX en SPMS engine. xlsx]).
  2. Laad de drie inkten (A, B en C) in drie reservoirs (1,5 mL per stuk) en pas vervolgens de tegendruk met behulp van de tegendruk ventiel voor elk individueel kanaal om ervoor te zorgen dat de inkt niet druipt van de jetting apparaten.
    Opmerking: drie jetting apparaten op onafhankelijke kanalen zijn nodig.
  3. Stel de jetting parameters (Rise time 1, stilstaan tijd, Fall time, eco time, Rise time 2, idle voltage, stilstaan spanning, ECHO voltage) voor elk kanaal om ervoor te zorgen dat elke inkt geeft een goede stabiele druppelvorming (Figuur 2).
    Opmerking: deze parameters zijn jetting apparaat en inkt afhankelijk en zal dienovereenkomstig moeten worden aangepast.
  4. Print de zijde fibroin inkt laag-voor-laag afwisselend met methanol op schoon gepolijst si-wafer substraten: fase 1, afdrukken van inkt A (hoofd lichaam); fase 2: afdrukken van inkt C (inkt uitharden); fase 3: drukken van inkt B (katalytische inkt voor motor sites); fase 4: afdrukken van inkt C (inkt uitharden); fase 5: Herhaal stadia 1-4 voor gewenste lagen (bijv. 100).
    Opmerking: twee voorbeeld ontwerpen voor de 4 stadia zijn opgenomen in aanvullende bestanden; SPMS hoofd lichaam. xlsx wordt gebruikt voor stadium 1 en stadium 2, en SPMS motor. xlsx wordt gebruikt voor stadium 3 en stadium 4.
  5. Print twee batches van fibroin SPMSs met 200 lagen en 100 lagen dikte, respectievelijk.
    Opmerking: de catalase motor bevindt zich aan de zijkant van het ene uiteinde van elke roerder. Zo hebben de roeren een katalytische motor (Zie Figuur 1 rode regio).
  6. Voor het verwijderen van de monsters uit de si-wafers, dompel monsters in DI water en voorzichtig roeren totdat onthechting optreedt.

8. data acquisitie/tracking en traject analyse van zelfrijdende roeren

  1. Maak een glazen petrischaaltje (9 cm in diameter) met DI water zodat het oppervlak stofvrij is.
  2. Eenmaal schoon en droog, voeg 10 mL pre-gefilterd (0,45 μm) 5% w/v H2O2 in de petrischaal en laat zich vestigen. Licht op de bodem van de petrischaal met een koele witte Light-Emitting Diode (LED) lichtbron en gebruik een high-speed camera met macro zoomlens om de motie van bovenaf vast te leggen. Video's opslaan als AVI-bestanden.
    Opmerking: Zie de lijst van materialen voor de details van de gebruikte apparatuur.
  3. Was de gedrukte zijde roeren voor 10 min door onderdompelen ze in DI water om alle ongebonden PEG400te verwijderen. Neem voorzichtig een gewassen roerder met het topje van een steriele spuit naald en plaats deze in het midden van de petrischaal. Wanneer de gewassen roerder raakt de H2O2 brandstof, bubbels beginnen vormen rond de motor en cirkelvormige beweging van de roerder wordt waargenomen. Wanneer het systeem stabiel lijkt (meestal 10 − 30 s later), drukt u op record in de opname software om te beginnen met het vastleggen van de video.
  4. Voer het volgen van de micro-roeren op een frame per frame basis, het bijhouden van elk uiteinde van de roeren, zoals aangegeven in de punten A en B in Figuur 3.
    Opmerking: dit kan handmatig worden gedaan of met behulp van tracking software.
  5. Bereken vanaf de verkregen tracking gegevens de momentane snelheid tussen twee opeenvolgende frames (bijv. 1 en 2) met behulp van de onderstaande vergelijking en het gemiddelde van de resulterende snelheden van de gehele sequentie om de gemiddelde momentane snelheid te verkrijgen.
  6. Verder naar deze, bereken de hoek van oriëntatie φ. Gebruik vervolgens de snelheid van de verandering van φ om de rotatiesnelheid te bepalen (Figuur 3).
    Equation 2
    Opmerking: bij het berekenen van momentane snelheden van bijgehouden beeldgegevens, is het belangrijk dat de eerste afbeelding van een object met bekende afmetingen wordt genomen om te kunnen juiste pixel te berekenen om micrometer waarden. Deze waarden zullen afhangen van de camera, de doelstelling en de gebruikte afstand. Afhankelijk van het type van de gedrukte deeltje, Kies verschillende tracking punten voor de berekening van de snelheid. Hier worden bijvoorbeeld de volgende punten A, B en C (massacentrum) gebruikt om momentane snelheden te bepalen (Figuur 3).

9. karakterisering van SPMSs door SEM

  1. Verwijder ongebruikte en gebruikte SPMSs uit de si-wafer of bulk oplossing en breng ze over op 10 mm breed Carbon Sticky pads gemonteerd op aluminium scan Electron microscopie (SEM). Droog de monsters in een droogstoof gedurende 10 min bij 60 °C.
  2. Laad de sample-categorie op de sputter coater stage. Sputter vacht (argon plasma op 0,05 Torr) 50 – 100 nm goud op de monsters, zorgen voor een homogene goud oppervlak dekking van het monster.
  3. Verwijder het monster uit de sputter coater en afbeelding in een SEM onder vacuüm op 5,0 kV.
    Opmerking: zeer hoge versnelling voltages kan branden de zijde en geven aanleiding tot valse kenmerken.

Representative Results

Na het koken van de zijde, wordt verwacht dat de gedroogde vezels zijn ongeveer een derde lichter dan voorheen, met vermelding van de succesvolle verwijdering van sericine. Tijdens de ontbinding van de zijde in het reagens van Ajisawa, zouden de vezels volledig moeten worden opgelost, en een gele viskeuze vloeistof zou moeten worden teruggekregen. Na dialyse, de zijde oplossing moet minder kleverig, maar nog steeds een iets gele kleur. Als de zijde is veranderd in gel, dit geeft aan dat ontbinding niet succesvol is gedaan.

Stabiele druppeltjes gevormd uit de jetting apparaten zal de hogere definitie van de gedrukte monsters mogelijk te maken. Figuur 2 toont een voorbeeld van een stabiele enkelvoudige druppel om goede printresultaten te geven, zoals de gedrukte zijde-roer werkers zoals weergegeven in Figuur 4. Het is normaal, afhangend hoe kleverig de inkt is, dat het uitspreiden op het substraat voorkomt.

Afhankelijk van de gebruikte inkjet printers en de druppelgrootte, moet de afstand tussen elke afgedrukte druppel worden aangepast op een zodanige wijze dat ze overlappen om verbonden lijnen te genereren. Als de druppels te ver uit elkaar, de gedrukte structuur zal breken. In aanvulling op deze, zo niet genoeg lagen worden afgedrukt, is er een kans van de micro-roeren breken wanneer geplaatst in brandstof oplossing. Zodra de roeren zijn verwijderd uit de ondergrond en gewassen, het plaatsen van hen in de waterstofperoxide brandstof oplossing moet direct resulteren in bubbels worden gevormd. Het succestarief van goede ballon versie hangt sterk van de enzymactiviteit af; Als de enzymactiviteit laag is, zullen minder bubbels vormen dus leidt tot slechte voortstuwing resultaten. Figuur 5 laat zien hoe de oppervlakte morfologie van de roeren wordt veranderd als gevolg van de bubbels worden vrijgelaten uit de innerlijke structuren het genereren van kleine poriën. Een succesvolle micro-roerder zal lijken op degenen die kunnen worden gezien in Figuur 6 en de twee aanvullende Video's S1 en S2 respectievelijk.

Figuur 6 toont nog steeds video frames van twee representatieve, 100-Layer (Figuur 6a) en 200-Layer (Figuur 6b) micro-roeren in 5% H2O2 brandstof. De rode en groene lijnen geven de bijgehouden trajecten aan (Zie aanvullende Video's S1 en S2). De rotatiesnelheid kan worden bepaald door de snelheid van verandering van oriëntatie (ɸ, Figuur 3) zoals weergegeven in Figuur 7. Vergelijking van 100-Layer en 200-Layer catalase gedoopte micro-roeren toont een onderscheidende toename van de rotatiesnelheid van ~ 0,6 vouwen van 60 ± 6 rpm tot 100 ± 10 rpm (Figuur 7).

Figure 1
Figuur 1: Schematische illustratie van de katalytische afbraak van waterstofperoxide in water en zuurstof door catalase ingebed in de steiger van de roerder op de gewenste locaties (weergegeven in het rood). Het product zuurstof bubbels zorgen voor de nodige voortstuwing voor het verplaatsen van de roerder. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: de time lapse beelden van de druppelvorming van RSF van een jetting inrichting (nozzle diameter 80 µm). De getallen onder de beelden vertegenwoordigen de tijd die is verstreken, in microseconden (µs), sinds de initiatie van jetting van de zijde inkt druppel. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: schematische weergave van deeltjes tracering over twee opeenvolgende frames. A en B wijzen op tracking Points en C geeft het massacentrum aan. φ geeft de hoek van de oriëntatie. SPMS traject richting wordt aangegeven door de gebogen zwarte pijl. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: licht micro grafiek van een vers rij bedrukte micro-roerder (100 lagen) voor het wassen. Rode doos duidt catalase gedoopte regio (motor regio). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: SEM beelden van het hoofd lichaam en catalase motor deel van een SPMS na de poriën worden gevormd als gevolg van Bubble release. De poriën kunnen duidelijk op de motor oppervlakte in de SEM beelden van de SPMSs worden gezien die uit de versie van de zuurstof zeepbel voortkomen. Azijde micro-roerstaafjes vóór blootstelling aan 5% w/v H2O2 brandstof oplossing. (B) zijde SPMS na blootstelling aan 5% w/v H2O2 brandstof oplossing. Beelden aan de rechterkant zijn uitbreidingen van de rode regio's. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: video frames van twee micro-roeren in 5% brandstof oplossing met het traject in de tijd. (A) 100-laag micro-roeren. (B) 200-laag micro-roeren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 7
Figuur 7: vergelijking van de hoek van oriëntatie (φ) voor 100-Layer (60 ± 6 rpm) en 200-laag (100 ± 10 rpm) micro-roeren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Supplementaire video S1: Representatieve 100-laag zelf-beweeglijke micro-roerder in 5% w/v H 2 O 2 het ondergaan van voortstuwing. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Supplementaire video S2: Representatieve 200-laag zelf-beweeglijke micro-roerder in 5% w/v H 2 O 2 het ondergaan van voortstuwing. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

Een belangrijk kenmerk van SPMSs geproduceerd in dit protocol is de mogelijkheid om snel en eenvoudig ontwerpen van verschillende vormen en structuren via RIJ van zijde gesmeerd met enzymen zoals catalase en bereiken chemisch gedreven beweging via Bubble voortstuwing5. Dit samen met de hoge biocompatibiliteit18 van deze roeren maakt ze zeer wenselijk voor toekomstige toepassingen voor zowel de watersanering uitdagingen als voor lab-on-a-chip toepassingen voor medische diagnose-apparaten.

Hier, wordt de aandrijvingscapaciteit aangetoond door een eenvoudig lijn ontwerp met een motor deel te gebruiken dat aan de kant van het wordt gedrukt zoals die in Figuur 1wordt getoond. De rode stippen vertegenwoordigen de katalytisch actieve catalase gedoopte motor onderdelen en de blauwe stippen vertegenwoordigen de inactieve delen. Om 3D vormen te kunnen genereren via RIJ, is het noodzakelijk om meerdere lagen af te drukken om een z-assen hoogte te genereren. Hier, de aantallen lagen gestort op een si-wafer waren 100 en 200. Door het variëren van het aantal lagen, een verschil in voortstuwings snelheid/rotatie vergelijkbaar met het deponeren van het dubbele van de hoeveelheid materiaal kan worden gevonden. Om goed gedefinieerde structuren tijdens inkjet printen te hebben, is het belangrijk dat de juiste jetting parameters worden geselecteerd om een goed gedefinieerde druppel te bereiken zoals weergegeven in Figuur 2. Deze parameters zullen variëren afhankelijk van de gebruikte inkt en de jetting apparaten. Als de inkt niet produceren stabiele druppels, dan is de inkt is het meest waarschijnlijk niet meer geschikt voor het afdrukken en is het meest waarschijnlijk begint te veranderen in gel. Het is belangrijk op te merken dat de resolutie te beperken sterk afhankelijk van de grootte van de gebruikte nozzle, en kleinere sproeiers zorgen voor een hogere resolutie en kleinere structuren/deeltjes worden afgedrukt.

Een voorbeeld van RIJ gedrukte zijde roerder is te zien in Figuur 4, waar de catalase gedoopte motor deel (zoals aangegeven door de rode gemarkeerde regio) kan worden gezien gehecht aan de zijkant van het hoofd lichaam (Zie ook het schema in Figuur 1 voor details). De gedrukte zijden steiger is een materiaal dat zorgt voor de brandstof oplossing te verspreiden in de gehele 3D-structuur, en dus zuurstof bubbels worden gevormd tijdens de afbraak van waterstofperoxide via catalase. De zuurstof bubbels worden vrijgegeven genereren micron-schaal poriën in de zijde steiger structuur zoals kan worden gezien door het vergelijken van de SEM voor de blootstelling aan H2o2 brandstof (figuur 5a) en na h2o2 blootstelling ( Figuur 5B). Om ervoor te zorgen dat de beweging is te wijten aan de ontleding van H2O2 brandstof, maar niet de oppervlakte spanning gedreven via de release van Peg400, is het belangrijk dat roeren in eerste instantie ondergedompeld in water voor een periode van ten minste 10 min en getest in di water voor de beweging van de oppervlaktespanning voorafgaand aan aandrijving in brandstof oplossing.

Het gebruik van PEG400 zorgt voor een betere afgifte van bubbels uit de zijde oppervlak19 , zoals eerder uitgelegd door Gregory et al.5 , maar kan ook aanleiding geven tot de oppervlakte spanning gedreven voortstuwing, die wenselijk kan zijn, afhankelijk van de toepassing als eerder beschreven20. Dit tweede mechanisme geeft ook de mogelijkheid om SPMSs te produceren met twee mechanismen die zijn tijd afhankelijk en kan voordelig zijn voor bepaalde toepassingen die bijvoorbeeld zou verwachten aanvankelijke krachtige roeren bij de start, gevolgd door langzamer voortgezet roeren voor langere perioden van tijd20.

Tot slot, door het gebruik van RIJ om autonome zelfrijdende apparaten te produceren, kan een breed scala van vormen en maten gemakkelijk worden ontworpen en afgedrukt. Silk als basismateriaal voor de apparaten biedt mogelijkheden om gemakkelijk te kapselen enzymen en andere delen in de structuren waardoor de mogelijkheid om functies toe te voegen aan deze apparaten.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs willen de steun van de EPSRC via X. Zhao de reactieve Inkjet Printing van Silk Materials Awards (EP/N007174/1 en EP/N023579/1), S. J. Ebbens Career Acceleration Fellowship, en Healthcare Technology impact Fellowship (EP/J002402/ 1 en EP/N033736/1). De auteurs bedanken ook Dr Qingyou Xia van de staat Key laboratorium van Silkworm genoom biologie, Southwest University, China voor het verstrekken van zijde cocons.

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