Reaktiv inkjet Printing og fremdrivnings analyse af silke baserede selvkørende mikro-omrørere

Chemistry
 

Summary

Denne protokol demonstrerer evnen til at udnytte reaktiv inkjet print til at udskrive Self-motile biokompatible og miljøvenlige mikro-omrørere til brug i biomedicinske og miljømæssige applikationer.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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

I denne undersøgelse rapporteres en protokol for brug af reaktiv inkjet-print til at fabrikere enzymatisk fremdrevne silke svømmere med veldefinerede former. De resulterende enheder er et eksempel på selvkørende objekter, der kan generere bevægelse uden ekstern aktivering og har potentielle anvendelser i medicin og miljøvidenskaber til en række forskellige formål, der spænder fra mikro-omrøring, målrettede terapeutisk levering, til rensning af vand (f. eks. olieudslip). Denne metode anvender reaktiv inkjet-print til at generere veldefinerede små solide silke strukturer ved at omdanne vandopløselig regenereret silke fibroin (silke i) til uopløselig silke fibroin (silke II). Disse strukturer er også selektivt doteret i bestemte regioner med enzymet katalase for at producere bevægelse via boble generation og løsrivelse. Antallet af udskrevne lag bestemmer den tredimensionelle (3D) struktur af enheden, og her rapporteres effekten af denne parameter på de frem drivelsesmæssige forløbskurver. Resultaterne viser evnen til at justere bevægelsen ved at variere dimensionerne af de trykte strukturer.

Introduction

Kunstige selvkørende mikro-omrørere (spmss) anvender en række fremdrifts mekanismer til at producere bevægelse, som kan kategoriseres som enten kemisk fremdrift1,2,3,4, 5 ) i , 6 eller fysisk ydre fremdrift. En fælles kemisk fremdrifts mekanisme er at bruge katalytisk eller enzymatisk aktivitet til enten at generere motion producerende gradienter eller generere bobler, der giver momentum til objektet, når de løsnes. Tidligere undersøgelser har undersøgt flere katalytiske og kemiske spmss, herunder polystyren perler med platin nanopartikler og chrom adsorbet på overfladen1, guld-platin bimetal Janus Nano-stænger2, magnesium Janus mikro-omrørere3, Micro-omrørere fremstillet af en magnesium kerne og titandioxid skallen med indlejrede guld nanopartikler4, og silke fibroin Janus mikro-raketter med katalase indlejret i stillads5. Fysiske fremdrifts mekanismer omfatter magnetisk7,8, optisk9og ultralyd10 fremdriftssystemer, der alle styres af en ekstern fysisk kilde. Afhængigt af det tilsigtede anvendelsesområde kan SPMS-størrelsen variere fra nogle få nanometer til flere hundrede mikrometer. Eksempler på potentielle anvendelser af ovennævnte og andre SPMSs er medicinsk diagnose af sygdomme med Lab-on-a-chip enheder11, lastning og in vivo målrettede levering af terapeutisk12, miljømæssig afhjælpning3 (f. eks. rengørings olieudslip) og foto katalytisk nedbrydning af kemiske og biologiske kampmidler, såsom Bacillus anthracis og nerve agenter4. Target ansøgning afhængig, er det derfor ønskeligt at være i stand til at producere SPMSs, der gennemgår specifikke forløbskurver såsom lange lineære forløbskurver for transport udfordringer eller roterende forløbskurver for mikro blanding applikationer. Fokus her er på roterende bevægelse til omrøring applikationer.

Der er ingen enkelt etableret metode til at fabrikere SPMSs, men for medicinske og miljømæssige applikationer, er det vigtigt at bruge et materiale, der er biokompatibelt, biologisk nedbrydeligt, miljøvenlig, let tilgængelige, billige og giver nem fabrikation af komplekse SPMSs uden at kræve avanceret udstyr. Regenereret silke fibroin (RSF) er et sådant materiale, der opfylder alle disse parametre sammen med at være også godkendt af Food and Drug Administration (FDA).

Silke er et generisk begreb, der anvendes til flere naturligt forekommende fibrøse proteiner, hvoraf den mest almindeligt kendte er den, der er lavet af larverne af silke møl, Bombyx Mori, før dens dukker. Disse kokoner er lavet af fibroin, et fibrøst protein, der sidder fast sammen med et andet protein kaldet Sericin. Silk fibroin (SF) har vist sig at have fremragende mekaniske egenskaber, biokompatibilitet og bionedbrydelighed13, hvilket gør det til et ideelt valg til opdigte SPMSS. SF findes i tre polymorfe former, nemlig silke I, II og III. Silke I er en vandopløselig metastabil form, der hovedsagelig indeholder helixer og tilfældige spoler; silke II er en vand uopløselig form, der hovedsagelig indeholder anti parallelle β plader af krystalliseret silke; og silke III er en tredoblet polyglycin II spiralformet struktur, der findes på vand-luft grænseflade af silke opløsning. I lighed med andre fibrøse proteiner har SF gentagne enheder af aminosyresekvenser. Den naturligt forekommende SF af en kokon består af tre primære hexapeptid domæner af sådanne gentagne enheder (GAGAGX), mens X kan være A, S, eller Y. Ved hjælp af brint binding er (GA) n-motiverne fra de anti parallelle β-plader yderligere stak gennem van der Waals styrker og danner hydrofobe Nano krystallationer14,15.

Biokompatibilitet kan forbedres yderligere ved at forsøge at køre fremdrift ved hjælp af naturligt forekommende enzymer for at generere en koncentrations gradient eller gasbobler i et flydende medium (brændstof). I denne undersøgelse anvendes enzym katalase derfor som "motor" til fremdrift med hydrogenperoxid, der anvendes som vandigt brændsels medium. Catalase er et enzym, der findes i næsten alle levende organismer. Det katalyserer nedbrydningen af hydrogenperoxid (H2O2) i vand og ilt16. Frigivelsen af oxygen bobler fra de enzym steder af SPMSs genererer en kraft på objektet, der får det til at gennemgå fremdrift i den modsatte retning af boble frigivelse5 (figur 1).

I en katalytisk drevet SPMS resulterer forskellige placeringer af det katalytiske sted i forskellige fremdrifts handlinger og forløbskurver1. I jagten på at skabe effektive mikroomrørere er det derfor nødvendigt at fremstille omrørere med veldefinerede geometriske former og motor positioner og sammenligne motorens forskellige kræfter. Her, for at lette disse undersøgelser, er det beskrevet, hvordan regenereret silke fibroin SPMSs er fremstillet på millimeter skala ved hjælp af reaktiv inkjet Printing (RIJ) teknologi. Inkjet-udskrivning er en ikke-kontaktmetode til deposition af materialer. Dette gør fremstillingen af små komplekse strukturer med høj præcision i at generere forskellige former ligetil. RIJ finder sted, når to eller flere forskellige reagerende materialer deponeres og reagerer på substratet for at producere det ønskede produkt materiale. Derfor, SPMSs trykt med en katalysator omrører sted off center giver objektet asymmetri, der resulterer i roterende bevægelse. Denne fremgangsmåde gør det også nemt at fremstille mikro-omrørere i en række forskellige former og design konfigurationer defineret af computerstøttet design (CAD), hvilket gør det muligt lettere og mere præcis Kontrollabilitet på den ønskede bevægelse under praktiske Programmer. Endelig demonstreres muligheden for at trykke enheder med varierende tykkelse, der udviser forskellige fremdrifts egenskaber.

Denne undersøgelse giver en plan for fremstilling af SPMSs med RSF på mikrometer til millimeter skala. Brugen af RIJ-teknologi til fremstilling af RSF-mikroomrørere åbner døren for den meget alsidige produktion af mikro-omrørere fra materialer som in situ-producerede stilladser eller hydrogels, som ellers ikke er i stand til at blive deponeret eller fabrikeret gennem andre midler såsom fordampning. Efter passende yderligere funktionalisering (f. eks. enzymer) kan disse SPMSs være velegnede til miljøgenopretning3, såsom rensning af biologiske toksiner, organiske forurenende stoffer og kemiske og biologiske krigs midler4.

Protocol

Forsigtig: Se relevante materialesikkerhedsdatablade før brug af hydrogenperoxid, natriumcarbonat, ethanol, calciumchlorid og methanol. Sørg for at bære alle relevante personlige værnemidler, herunder tekniske Kontroller, mens håndtering af kemikalier, der anvendes i denne protokol.

1. ekstraktion af fibroin

  1. Skær 5 g renset silke kokoner ind i ~ 1 cm2 små stykker ved hjælp af en saks.
  2. Kog 2 L afioniseret (DI) vand i et 2 L bægerglas på en magnetisk kogeplade under en ekstraktionshætte.
  3. Tilsæt 4,24 g natriumcarbonat gradvist og langsomt ind i det kogende vand for at undgå at koge over og lad det opløses ved hjælp af en magnetisk røre stang.
  4. Vent, indtil opløsningen begynder at koge igen, og tilsæt de afskårne stykker af kokoner i opløsningen. Sørg for, at al silke er nedsænket i opløsningen, og hold opløsningen kogende under konstant omrøring i 90 min. dæk bægerglasset let med aluminiumsfolie, og fyld det med forvarmet DI-vand regelmæssigt for at genopbygge vandtabet på grund af fordampning.

2. tørring af fibroin

  1. Fjern de ekstraherede fibroin fibre fra natriumcarbonatopløsningen med en glasstav eller spatel og vask 3x med 1 L forvarmet DI-vand til hver vask, og nedsænker gradvist temperaturen for hvert vaske trin (ca. 60 °C, 40 °C og rumtemperatur, 25 °C).
  2. Sprede fibroin fibrene på en 750 mL borosilicat glas krystliserende skål og læg den i en tørre ovn ved 60 °C under atmosfærisk tryk og lad det tørre natten over. Når den er tørret, opbevares fibroin i en lukket beholder ved stuetemperatur.

3. opløsning af fibroin

  1. Der tilberedes en ternære opløsning (Ajisawa reagens) indeholdende 4,8 g vand, 3,7 g ethanol og 3,1 g calciumchlorid17.
  2. Anbring en to-hals rund kolbe (100 mL) i et vandbad, der er fremstillet ved at fylde en 750 mL borosilicatglaskrystallations skål med 600 mL DI-vand på toppen af en magnetisk varmeplade. Den ternære opløsning anbringes inde i kolben.
  3. Sæt et termometer i en af halsen for at overvåge opløsningens temperatur nøjagtigt. Dæk den anden hals med aluminiumsfolie for at forhindre udtørring af opløsningen på grund af fordampning (eller brug en vandkølet refluks kondensator). Opløsningen opvarmes til 80 °C.
    Bemærk: Sørg for, at pæren i termometret er inde i opløsningen.
  4. Når opløsningens temperatur er stabil ved 80 °C, fjernes aluminiums folien, og der tilsættes 1 g tørret fibroin til opløsningen. Tilsæt en lille magnetisk røre stang for at sikre, at opløsningen er blandet godt under hele opløsnings processen. Dæk den anden hals igen med aluminiumsfolie for at minimere fordampningen, men hold systemet åbent. Lad opløsningen opløses i 90 min.

4. dialyse af fibroin-opløsning

  1. Efter 90 opløsning skal fibroin-opløsningen overlades til 10 min. for at køle ned til stuetemperatur.
  2. Tag 1 15 cm lang dialyse slange (molekylvægt afskæring 12000 − 14000 kDa) og binde en knude i en af de to ender. Vask det i et par minutter med rindende DI-vand fra hanen.
  3. Åbn den anden ende og hæld fibroin opløsningen indeni. Ved hjælp af en metal klemme lukkes den anden ende af dialyse røret, hvilket sikrer, at røret er lukket så stramt som muligt. Fastgør en af enderne af dialyse røret via et skruelåg til et tomt 30 mL plastik hætteglas, så dialyse røret kan flyde i vandet.
  4. Fyld et 2 L bægerglas med 2 L DI vand og Anbring dialyse røret i det. Skift vand med jævne mellemrum. Kontrollér vandets ledningsevne, hver gang det skiftes til at følge dialyse processen. Dialyse trinnet afsluttes, når vandets ledningsevne er under 10 μS/cm.
    Bemærk: denne proces tager normalt omkring 24 − 36 timer med 5 vandskift.
  5. Når dialyse er afsluttet, skæres den ene ende af dialyse røret med en saks, og opløsningen hældes i en serie på 1,5 mL rør. Derefter centrifugeres i 5 min ved 16.000 x g for at fjerne eventuelle partikler inde i fibroin-opløsningen. Supernatanten opsamles i et 30 mL plastik hætteglas og opbevares ved 4 °C.

5. bestemmelse af RSF-opløsningens koncentration

  1. Der afvejes et rent glas udtræk (W1). Der tilsættes 200 μL silke opløsning (V1).
  2. Lad glasset glide i en ovn ved 60 °C i 2 timer.
  3. Lad glaspladen veje igen (W2).
  4. Koncentrationen af silke opløsningen (w/v) beregnes ved hjælp af følgende formel:
    Equation 1

6. klargøring af trykfarver til trykning

  1. Klargør blæk A (slutvolumen 1,5 mL) ved at blande fibroin-opløsningen (40 mg/mL), polyethylenglycol 400 (PEG400; 14 mg/ml) og deioniseret vand til trykning af hoveddelen af spmss.
  2. Til trykning af den katalytiske motor i spmss blandes fibroin (40 mg/ml), peg400 (12 mg/ml), katalase (6 mg/ml med katalytisk aktivitet af > 20000 enheder/mg) og deioniseret vand for at gøre 1,5 ml blæk B.
  3. Forbered 1,5 mL blæk C ved at opløse Coomassie strålende blåt (0,05 mg/mL) i methanol.
    Bemærk: methanol anvendes til at omdanne fibroin tilfældige spoler til stive beta ark ved at trykke blæk C på toppen af blæk A eller blæk B. Coomassie strålende blå bruges til at give en kontrast farve af SPMSs at støtte automatisk sporing af SPMSs under fremdrift.

7. reaktiv inkjet 3D-udskrivning

Bemærk: inkjetprinteren, der bruges i disse eksperimenter, er baseret på piezo-aktiverede jetting-enheder med glas dyser. Der findes flere kommercielt tilgængelige inkjetprintere til forskning, der kan duplikere disse funktioner.

  1. Brug jetting-enheder med 80 μm dysediameter til trykning af trykfarver på et silicium substrat, der er placeret på scenen i en arbejdsafstand mellem dysen og si-wafer-substratet på ca. 5 mm. De geometriske figurer i SPMSs er digitalt defineret som en række punkter af X-Y-koordinater i en regnearksfil.
    Bemærk: printeren læser koordinaterne serielt og kører printeren i overensstemmelse hermed. Hvert koordinat punkt får printeren til at stråle én gang gennem jetting-anordningen. Separate regnearksfiler oprettes til trykfarve A og B (Se supplerende filer [SPMS Main Body. xlsx og SPMS Engine. xlsx]).
  2. Læg de tre trykfarver (A, B og C) i tre reservoirer (1,5 mL hver), og juster derefter modtrykket ved hjælp af modtryks ventilen for hver enkelt kanal for at sikre, at blækket ikke drypper fra jetting-enhederne.
    Bemærk: der er brug for tre jetting-enheder på uafhængige kanaler.
  3. Juster jetting-parametrene (opgangs tidspunkt 1, opholdstid, fald tid, øko-tid, opgangs tidspunkt 2, inaktiv spænding, hvilespænding, ekko spænding) for hver kanal for at sikre, at hver trykfarve giver en god stabil dråbedannelse (figur 2).
    Bemærk: disse parametre er jetting enhed og blæk afhængige og skal justeres i overensstemmelse hermed.
  4. Udskriv silke fibroi trykfarve lag-for-lag skiftevis med methanol på rene poleret si-wafer-substrater: etape 1, trykning af blæk A (hoved legeme); etape 2: trykning af blæk C (hærdning blæk); etape 3: trykning af blæk B (katalytisk blæk til motoranlæg) trin 4: trykning af blæk C (hærdning af blæk); trin 5: Gentag trin 1-4 for ønskede lag, der kræves (f. eks. 100).
    Bemærk: to eksempel designs for de 4 etaper er inkluderet i supplerende filer; SPMS Main Body. xlsx bruges til fase 1 og fase 2, og SPMS Engine. xlsx bruges til fase 3 og fase 4.
  5. Udskriv to batcher af fibroin SPMSs med henholdsvis 200 lag og 100 lagtykkelse.
    Bemærk: catalasemotoren er placeret på siden af den ene ende af hver omrører. Således har omrørere en katalytisk motor (Se figur 1 rød region).
  6. For at fjerne prøverne fra si-wafere, fordybe prøverne i DI vand og forsigtigt agitere indtil løsrivelse opstår.

8. data opsamling/-sporing og forløbs analyse af selvkørende omrørere

  1. Rengør et glas petriskål (9 cm i diameter) med DI-vand for at sikre, at overfladen er støvfri.
  2. Når det er rent og tørt, tilsættes 10 mL forfiltreret (0,45 μm) 5% w/v H2O2 ind i Petri skålen og lad det bosætte sig. Lys bunden af Petri skålen med en kølig hvid lysdiode (LED) lyskilde og brug et højhastighedskamera med makro zoom linse til at indfange bevægelsen ovenfra. Gem videoer som. AVI-filer.
    Bemærk: Se tabel over materialer for nærmere oplysninger om det anvendte udstyr.
  3. De trykte silke omrørere vaskes i 10 min. ved at nedflette dem i DI-vand for at fjerne eventuelle ubundne PIND400. Tag forsigtigt en vasket omrører med spidsen af en steril sprøjte kanyle og anbring den i midten af Petri skålen. Når den vaskede røremaskine rører ved H2O2 -brændstoffet, er der bobler, der begynder at danne omkring motoren, og den cirkulære bevægelse af omrøreren observeres. Når systemet ser stabilt ud (normalt 10 − 30 s senere), skal du trykke på Optag i optagelses softwaren for at starte optagelsen af videoen.
  4. Udfør sporing af mikro-omrørere på ramme basis ved at spore hver ende af Omrørerne som angivet i punkt A og B i figur 3.
    Bemærk: Dette kan gøres manuelt eller ved hjælp af tracking software.
  5. Ud fra de opnåede sporingsdata beregner du den øjeblikkelige hastighed mellem to på hinanden følgende rammer (f. eks. 1 og 2) ved hjælp af ligningen nedenfor og gennemsnitligt de resulterende hastigheder fra hele sekvensen for at opnå middelværdien af den øjeblikkelige hastighed.
  6. Ud over dette, beregne vinklen af orientering φ. Brug derefter satsen for ændring af φ til at bestemme rotationshastigheden (figur 3).
    Equation 2
    Bemærk: ved beregning af øjeblikkelige hastigheder fra sporede billeddata er det vigtigt, at det oprindelige billede af et objekt med kendte dimensioner tages for at kunne beregne den korrekte pixel til mikrometer værdier. Disse værdier vil afhænge af det anvendte kamera, objektiv og distance. Afhængigt af typen af trykt partikel skal du vælge forskellige sporings punkter til beregning af hastigheden. For eksempel bruges sporings punkterne A, B og C (midten af massen) alle til at bestemme øjeblikkelige hastigheder (figur 3).

9. karakterisering af SPMSs efter SEM

  1. Fjern ubrugte og brugte SPMSs fra si-wafer-eller bulk-opløsningen, og overfør dem til 10 mm brede Carbon-klæbe puder monteret på aluminium scannings elektronmikroskopi (SEM)-Stubs. Prøverne tørres i en tørreovn i 10 min ved 60 °C.
  2. Læg prøve stuerne på det sputter-Coater-stadie. Sputter frakke (argon plasma ved 0,05 torr) 50 – 100 nm guld på prøverne, hvilket sikrer en homogen guld overfladedækning af prøven.
  3. Fjern prøve stuerne fra den sputter Coater og billedet i en SEM under vakuum ved 5,0 kV.
    Bemærk: meget høje accelerations spændinger kan brænde silke og give anledning til falske funktioner.

Representative Results

Efter kogning af silke, forventes det, at de tørrede fibre er omkring en tredjedel lysere end før, hvilket indikerer en vellykket fjernelse af Sericin. Under opløsningen af silke i Ajisawa reagens, skal fibrene være helt opløst, og en gul viskøs væske skal inddrives. Efter dialyse skal silke opløsningen være mindre viskøs, men stadig vise en lidt gul farve. Hvis silke er forvandlet til gel, dette indikerer, at opløsningen ikke blev gjort med succes.

Stabile dråber dannet fra de jetting enheder vil gøre det muligt at den højere definition af de udskrevne prøver. Figur 2 viser et eksempel på en stabil enkelt dråbe, der giver gode udskrivningsresultater, såsom de trykte silke røvere vist i figur 4. Det er normalt, afhængigt af hvor viskøs blækket er, at spredning sker på substratet.

Afhængigt af de anvendte inkjetprintere og Dråbestørrelsen skal afstanden mellem hver trykt dråbe justeres på en sådan måde, at de overlapper hinanden for at generere forbundne linjer. Hvis dråberne er for langt fra hinanden, vil den udskrevne struktur bryde op. Ud over dette, hvis ikke nok lag er trykt, er der en chance for mikro-omrørere bryde når de placeres i brændstof løsning. Når omrørere er blevet fjernet fra substratet og vasket, bør placere dem i hydrogenperoxid brændstof opløsning straks resultere i bobler dannes. Succesraten for god boble frigivelse afhænger stærkt af enzymaktivitet; Hvis enzymaktiviteten er lav, vil der dannes færre bobler, hvilket fører til dårlige fremdrifts resultater. Figur 5 viser, hvordan omrørernes overflade morfologi ændres på grund af, at boblerne frigøres fra de indvendige strukturer, der genererer små porer. En vellykket mikro-omrører vil se ud som dem, der kan ses i figur 6 og de to supplerende videoer S1 og S2 hhv.

Figur 6 viser stillbilleder af to repræsentative, 100-lags (figur 6a) og 200-Layer (figur 6b) mikro-omrørere i 5% H2O2 brændstof. De røde og grønne linjer angiver de sporede baner (Se supplerende videoer S1 og S2). Rotationshastigheden kan bestemmes af hastigheden af orienterings Skift (ɸ, fig. 3) som vist i figur 7. Sammenligningen af 100-lags-og 200-lags-catalasedoperede mikro-omrørere viser en markant stigning i rotationshastigheden på ~ 0,6 fold fra 60 ± 6 rpm til 100 ± 10 rpm (fig. 7).

Figure 1
Figur 1: skematisk illustration af den katalytiske opdeling af hydrogenperoxid i vand og ilt ved katalase indlejret i omrørs stilladset på de ønskede steder (vist med rødt). Produktet oxygen bobler giver den nødvendige fremdrift til at flytte omrøreren. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: tids forskydnings billeder af dråbe dannelsen af RSF fra en jetting-anordning (dysediameter 80 μm). Numrene under billederne repræsenterer den forløbne tid, i mikrosekunder (μs), siden indledningen af jetting af silke blækdråbe. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: skematisk fremstilling af partikel sporing over to på hinanden følgende rammer. A og B angiver sporings punkter, og C angiver midten af massen. φ Angiver vinklen på retningen. SPMS bane retning er angivet med den buede sorte pil. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: let Mikrograf af en frisk RIJ-trykt mikroomrører (100 lag) inden vask. Rød boks betegner katalase doperet region (motor region). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: SEM-billeder af hoveddelen og catalasemotoren del af en SPMS efter porerne dannes på grund af boble frigivelse. Porer kan tydeligt ses på motorens overflade i SEM billeder af SPMSs stammer fra oxygen boble frigivelse. A) silke mikro-omrørere før udsættelse for 5% w/v H2O2 brændstof opløsning. (B) silke SPMS efter udsættelse for 5% w/v H2O2 brændstof opløsning. Billeder til højre er udvidelser af de røde regioner. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: video billeder af to mikro-omrørere i 5% brændstof opløsning, der viser bane over tid. A) 100-lags-mikroomrørere. B) 200-mikroomrørere i lag. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: sammenligning af orienterings vinklen (φ) for 100-lags (60 ± 6 rpm) og 200-lag (100 ± 10 rpm) mikroomrørere. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende video S1: repræsentativ 100-Layer selv-motile Micro-omrører i 5% w/v H 2 af O 2 af under frem drift. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Supplerende video S2: repræsentativ 200-Layer selv-motile Micro-omrører i 5% w/v H 2 af O 2 af under frem drift. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Et centralt element i spmss produceret i denne protokol er evnen til hurtigt og nemt at designe forskellige former og strukturer via Rij af silke doperet med enzymer som katalase og opnå kemisk drevet bevægelse via boble fremdrift5. Dette sammen med den høje biokompatibilitet18 af disse omrørere gør dem meget ønskeligt for fremtidige applikationer til både vand oprydning udfordringer samt for Lab-on-a-chip applikationer til medicinsk diagnoseudstyr.

Her demonstreres fremdrifts evnen ved at anvende et simpelt linje design med en motor del trykt på siden af den som vist i figur 1. De røde prikker repræsenterer de katalytisk aktive katalase doperede motordele og de blå prikker repræsenterer de inaktive dele. For at kunne generere 3D-figurer via RIJ, er det nødvendigt at udskrive flere lag for at generere en z-akser højde. Her blev antallet af lag deponeret på en si-wafer 100 og 200. Ved at variere antallet af lag kan der findes en forskel i fremdrifts hastighed/rotation, der svarer til at deponere det dobbelte af mængden af materiale. For at have veldefinerede strukturer under inkjet-udskrivning er det vigtigt, at de korrekte jetting-parametre vælges for at opnå en veldefineret dråbe som vist i figur 2. Disse parametre vil variere alt efter den anvendte blæk og jetting-enhederne. Hvis blækket ikke producerer stabile dråber, er blækket sandsynligvis ikke længere egnet til udskrivning og er sandsynligvis begyndt at blive til gel. Det er vigtigt at bemærke, at opløsningen grænse stærkt afhænger af størrelsen af dysen anvendes, og mindre dyser giver mulighed for højere opløsning og mindre strukturer/partikler, der udskrives.

Et eksempel på Rij trykt silke omrører er vist i figur 4, hvor den katalase doperede motor del (som angivet af den røde markerede region) kan ses fastgjort til siden af hoved legemet (Se også skematisk i figur 1 for detaljer). Det trykte silke stillads er et materiale, der gør det muligt for brændsels opløsningen at sprede sig gennem hele 3D-strukturen, og dermed dannes der oxygen bobler under nedbrydningen af hydrogenperoxid via catalase. De oxygen bobler, der frigives, genererer mikron-skala porer i silke stillads strukturen, som det ses ved at sammenligne SEM-mikrograferne før eksponering for H2o2 -brændsel (figur 5a) og efter h2o2 -eksponering ( Figur 5B). For at sikre, at bevægelse skyldes nedbrydning af H2O2 brændstof, men ikke overfladespænding drevet via frigivelse af pind400, er det vigtigt, at omrørere i første omgang nedsænkes i vand i en periode på mindst 10 min og testes i di vand til bevægelse af overfladespænding før fremdrift i brændstof opløsning.

Brugen af PEG400 giver mulighed for bedre frigivelse af bobler fra silke overfladen19 som tidligere forklaret af Gregory et al.5 men kan også give anledning til overfladespænding drevet fremdrift, som kan være ønskeligt afhængigt af anvendelsen som tidligere beskrevet20. Denne anden mekanisme giver også mulighed for at producere SPMSs med to mekanismer, der er tidsafhængige og kan være fordelagtige for visse applikationer, der for eksempel forventer indledende kraftig omrøring i starten efterfulgt af langsommere fortsat omrøring i længere perioder20.

Afslutningsvis, ved at bruge RIJ til at producere autonome selvkørende enheder, kan en bred vifte af former og størrelser let designes og printes. Silke som basismateriale til enhederne giver mulighed for nemt at indkapsætte enzymer og andre komponenter i de strukturer, der giver mulighed for at tilføje funktioner til disse enheder.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne anerkende støtte fra EPSRC via X. Zhao's reaktive inkjet trykning af silke materialer Awards (EP/N007174/1 og EP/N023579/1), S. J. Ebbens Career acceleration Fellowship, og Healthcare Technology Impact Fellowship (EP/J002402/ 1 og EP/N033736/1). Forfatterne også takke Dr. Qingyou Xia fra statens nøgle laboratorium af SilkWorm genom biologi, Southwest University, Kina for at levere silke kokoner.

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