Reaktiv Inkjet utskrift och fram drivning analys av silk-baserade självgående Micro-omrörare

Chemistry
 

Summary

Detta protokoll visar förmågan att använda reaktiva bläck stråle utskrifter för att skriva ut själv rörliga biokompatibla och miljö vänliga mikro-omrörare för användning i biomedicinska och miljömässiga tillämpningar.

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 denna studie, ett protokoll för att använda reaktiva bläck stråle skrivare att tillverka enzymatiskt drivna sidensimmare med väldefinierade former rapporteras. De resulterande anordningarna är ett exempel på självgående objekt som kan generera rörelse utan extern aktivering och har potentiella tillämpningar inom medicin och miljö vetenskap för en rad olika ändamål, alltifrån mikro-omrörning, riktad tillförsel, till vatten sanering (t. ex. rengöring av oljeutsläpp). Denna metod använder reaktiva bläck stråle skrivare för att generera väldefinierade småskaliga solida silkes strukturer genom att omvandla vattenlöslig regenererad silkes fibroin också väldigt (silke i) till olösligt silkes fibroin också väldigt (Silk II). Dessa strukturer är också selektivt dopade i specifika regioner med enzymet katalas för att producera rörelse via bubbla generation och avlossning. Antalet utskrivna lager bestämmer enhetens tredimensionella (3D) struktur, och här rapporteras effekten av denna parameter på de propulsiva banor. Resultaten visar förmågan att finjustera rörelsen genom att variera måtten på de tryckta strukturerna.

Introduction

Konstgjorda självgående mikro-omrörare (spmss) anställa en mängd olika fram drivnings system för att producera rörelse, som kan kategoriseras som antingen kemisk fram drivning1,2,3,4, 5 den femte , 6 eller fysisk extern fram drivning. En gemensam kemisk drivmekanism är att använda katalytisk eller enzymatisk aktivitet för att antingen generera rörelse producerar gradienter eller generera bubblor som förmedlar momentum till objektet när de lossnar. Tidigare studier har undersökt flera katalytiska och kemiska SPMSs, inklusive polystyren pärlor med platina nanopartiklar och krom adsorberat på ytan1, guld-platina bimetalliska Janus nano-stavar2, magnesium Janus Micro-Stirrers3, Micro-omrörare gjorda av en magnesium kärna och titandioxid skal med inbäddade Guldnanopartiklar4, och silk fibroin också väldigt Janus mikro-raketer med katalas inbäddad i ställningen5. Fysisk fram drivning mekanismer inkluderar magnetisk7,8, optisk9, och ultraljud10 fram drivnings system, alla styrs av en extern fysisk källa. Beroende på den avsedda appliceringen kan SPMS-storleken variera från ett fåtal nanometer till flera hundra mikrometer. Exempel på potentiella tillämpningar av dessa ovannämnda och andra SPMSs är medicinsk diagnostik av sjukdomar med Lab-on-a-chip-enheter11, lastning och in vivo riktad tillförsel av Therapeutics12, miljö sanering3 (t. ex. rengöring av oljeutsläpp) och foto katalytisk nedbrytning av kemiska och biologiska strids medel, såsom Bacillus anthracis och nerv agens4. Target ansökan beroende, är det därför önskvärt att kunna producera SPMSs som genomgår specifika banor såsom långa linjära banor för transport utmaningar eller roterande banor för mikro blandning applikationer. Fokus här är på roterande rörelse för omrörning applikationer.

Det finns ingen enda etablerad metod för att fabricera SPMSs, men för medicinska och miljömässiga tillämpningar, är det viktigt att använda ett material som är biokompatibel, biologiskt nedbrytbar, miljö vänlig, lättillgänglig, billig och möjliggör enkel tillverkning av komplexa SPMSs utan att kräva sofistikerad utrustning. Regenererad Silk fibroin också väldigt (RSF) är ett sådant material som uppfyller alla dessa parametrar tillsammans med att också godkännas av Food and Drug Administration (FDA).

Silk är en generisk term som används för flera naturligt förekommande fibrösa proteiner, varav den mest kända är den som görs av larver av silkes mal, Bombyx Mori, innan dess pupation. Dessa kokoger är gjorda av fibroin, ett fibrösa protein, fastnat tillsammans med ett annat protein som kallas sericin. Silk fibroin också väldigt (SF) har visat sig ha utmärkta mekaniska egenskaper, biokompatibilitet, och biologisk nedbrytbarhet13, vilket gör det till ett idealiskt val för fabricera spmss. SF finns i tre polymorfa former, nämligen, silke I, II och III. Silk I är en vattenlöslig metastabel form som huvudsakligen innehåller helixarna och slumpmässiga spolar; Silk II är en vattenlöslig form som huvudsakligen innehåller antiparallella β-ark av kristalliserat silke; och silk III är en trefaldig polyglycine II spiralformade struktur som finns vid vatten-luft gränssnitt av silkes lösning. Liknande till andra fibrösa proteiner, SF har upprepande enheter av amino syrliga ordnar. Den naturligt förekommande SF av en kokong består av tre huvudsakliga hexapeptid domäner av sådana upprepande enheter (GAGAGX), medan X kan vara A, S, eller Y. Genom vätebindning kan (ga) n-motiven från antiparallella β Sheet-strukturer staplas ytterligare genom Van der Waals-styrkorna och bilda hydrofoba nano-kristalliseringar14,15.

Biokompatibiliteten kan förbättras ytterligare genom att man försöker driva fram drivning med naturligt förekommande enzymer för att skapa en koncentrations lutning eller gas bubblor i ett flytande medium (bränsle). Följaktligen, i denna studie, enzymet katalas används som "motorn" för att generera fram drivning med väteperoxid som används som vattenhaltiga bränsle mediet. Katalas är ett enzym som finns i nästan alla levande organismer. Det katalyserar nedbrytningen av väteperoxid (H2O2) till vatten och syre16. Frisläppandet av syre bubblor från de enzym platser i SPMSs genererar en kraft på objektet orsakar det att genomgå fram drivning i motsatt riktning av bubblan release5 (figur 1).

I en katalytiskt driven SPMS resulterar olika positionering av den katalytiska platsen i olika fram drivnings beteende och banor1. I strävan efter att generera effektiva mikro-omrörare är det därför nödvändigt att tillverka omrörare med väldefinierade geometriska former och motor positioner och jämföra motorns olika krafter. Här, för att under lätta dessa utredningar, det beskrivs hur regenererad Silk fibroin också väldigt spmss är fabricerade på millimeter skala med reaktiv Inkjet Printing (RIJ) teknik. Inkjet-utskrift är en icke-kontaktmetod för deponering av material. Detta gör tillverkningen av små komplexa strukturer med hög precision i att generera olika former okomplicerad. RIJ sker när två eller flera olika reagerande material deponeras och reagerar på underlaget för att producera önskat produkt material. Därför, SPMSs tryckt med en katalytisk omrörare plats utanför centrum ger objektasymmetrin som resulterar i roterande rörelse. Detta tillvägagångs sätt gör det också enkelt att tillverka mikro-omrörare i en mängd olika former och design konfigurationer som definieras av datorstödd konstruktion (CAD), vilket möjliggör enklare och mer exakt reglerbarhet på den önskade rörelsen under praktiska Program. Slutligen demonstreras förmågan hos utskrifts enheter med varierande tjocklek som uppvisar olika fram drivnings egenskaper.

Denna studie ger en plan för tillverkning av SPMSs med RSF på mikrometer till millimeter skala. Användningen av RIJ teknik för tillverkning RSF mikro-omrörare öppnar dörren för en mycket mångsidig produktion av mikro-omrörare från material som in situ producerade byggnads ställningar eller hydrogels, som inte på annat sätt kan deponeras eller tillverkas genom annat sätt som avdunstning. Efter lämplig ytterligare funktionalisering (t. ex. enzymer) kan dessa SPMSs vara lämpliga för miljö sanering3, såsom rengöring av biologiska gifter, organiska föroreningar, och kemiska och biologiska strids medel4.

Protocol

Var försiktig: Vänligen konsultera relevanta material säkerhets data blad före användning av väteperoxid, natriumkarbonat, etanol, kalciumklorid och metanol. Se till att använda all lämplig personlig skyddsutrustning inklusive tekniska kontroller vid hantering av kemikalier som används i detta protokoll.

1. extraktion av fibroin också väldigt

  1. Skär 5 g rengjorda silkes kokoger i ~ 1 cm2 små bitar med sax.
  2. Koka 2 L avjoniserat vatten (DI) i en 2 L-bägare på en magnetisk värme platta under en extraktionshuv.
  3. Tillsätt 4,24 g natriumkarbonat gradvis och sakta in i det kokande vattnet för att undvika att koka över och låt det lösas upp med hjälp av en magnetisk rör stång.
  4. Vänta tills lösningen börjar koka igen och tillsätt skära bitar av kokoger i lösningen. Se till att allt silke är nedsänkt i lösningen och hålla lösningen kokande under ständig omrörning för 90 min. Täck bägaren lätt med aluminiumfolie och fyll på med förvärmd DI vatten regelbundet för att fylla på vatten förlust på grund av avdunstning.

2. torkning av fibroin också väldigt

  1. Ta bort de extraherade fibroin också väldigt fibrerna från natriumkarbonatlösningen med en glasstav eller spatel och tvätta 3x med 1 L förvärmd DI vatten för varje tvätt, gradvis minskar temperaturen för varje tvätt steg (ca 60 ° c, 40 ° c, och rums temperatur, 25 (I ° c).
  2. Sprid ut fibroin också väldigt fibrerna på en 750 mL borosilikatglas kristallisera skålen och placera den i en tork ugn vid 60 ° c under atmosfärstryck och låt torka över natten. När den torkat, förvara fibroin också väldigt i en sluten behållare vid rums temperatur.

3. upplösning av fibroin också väldigt

  1. Bered en ternära lösning (ajisawa ' s reagens) som innehåller 4,8 g di vatten, 3,7 g etanol och 3,1 g kalciumklorid17.
  2. Placera en rund botten kolv med två hals (100 mL) i ett vatten bad, tillverkad genom att fylla en 750 mL borosilikatglas kristalliserande mat rätt med 600 mL DI-vatten, ovanpå en magnetisk värme platta. Placera den terinhaltiga lösningen inuti kolven.
  3. Placera en termometer i en av nackarna för att noggrant övervaka lösnings temperaturen. Täck den andra halsen med aluminiumfolie för att förhindra uttorkning av lösningen på grund av avdunstning (eller använda en vattenkyld återloppskylare). Värm upp lösningen till 80 ° c.
    Obs: se till att termometerns glöd lampa är inuti lösningen.
  4. När temperaturen på lösningen är stabil vid 80 ° c, ta bort aluminiumfolien och tillsätt 1 g torkad fibroin också väldigt till lösningen. Tillsätt en liten magnetisk rör stång för att säkerställa att lösningen blandas väl under hela upplösnings processen. Täck den andra halsen igen med aluminiumfolie för att minimera avdunstning men hålla systemet öppet. Låt upplösas för 90 min.

4. dialys av fibroin också väldigt-lösning

  1. Efter 90 min upplösning, lämna fibroin också väldigt lösning för 10 min svalna till rums temperatur.
  2. Ta 1 15 cm långa dialys röret (molekylär vikt cut-off 12000 − 14000 kDa) och knyt en knut i en av de två ändarna. Tvätta den i några minuter med rinnande DI-vatten från kranen.
  3. Öppna den andra änden och häll fibroin också väldigt lösningen inuti. Med hjälp av en metall klämma, stäng den andra änden av dialys röret och se till att röret är stängt så tätt som möjligt. Fäst en av ändarna av dialys röret via ett skruv Lock till en tom 30 mL injektions flaska av plast så att dialys röret kan flyta i vattnet.
  4. Fyll en 2 L-bägare med 2 liter DI-vatten och placera dialys röret i det. Byt vatten med jämna mellanrum. Kontrol lera konduktiviteten hos vattnet varje gång det ändras för att följa dialys processen. Dialys steget avslutas när vattnets konduktivitet unders Tiger 10 μS/cm.
    Obs: denna process tar vanligt vis runt 24 − 36 timmar med 5 vatten byten.
  5. Efter dialys är klar, skär ena änden av dialys röret med sax och häll lösningen i en serie av 1,5 mL rör. Centrifugera sedan i 5 minuter vid 16 000 x g för att avlägsna eventuella partiklar inuti fibroinlösningen. Samla upp supernatanten i en 30 mL injektions flaska av plast och förvara den vid 4 ° c.

5. bestämning av koncentrationen av RSF-lösningen

  1. Väg en ren glas bild (b1). Tillsätt 200 μL silkes lösning (V1).
  2. Lämna glas glaset i ugnen vid 60 ° c i 2 h.
  3. Väg glas glaset igen (b2).
  4. Beräkna silkes Lösningens koncentration (w/v) med hjälp av följande formel:
    Equation 1

6. beredning av tryck färger

  1. Förbered bläck A (slutlig volym 1,5 mL) genom att blanda fibroin också väldigt lösningen (40 mg/mL), polyetylenglykol 400 (PEG400; 14 mg/ml) och avjoniserat vatten för utskrift av huvud delen av spmss.
  2. För tryckning av den katalytiska motorn i spmss, blanda fibroin också väldigt (40 mg/ml), PEG400 (12 mg/ml), katalas (6 mg/ml med katalytisk aktivitet av > 20000 enheter/mg) och avjoniserat vatten för att göra 1,5 ml bläck B.
  3. Bered 1,5 mL bläck C genom att lösa upp Coomassie briljant blått (0,05 mg/mL) i metanol.
    Anmärkning: metanol används för att omvandla fibroin också väldigt slumpmässiga spolar till stela beta ark genom att skriva ut bläck C ovanpå bläck A eller bläck B. Coomassie briljant blått används för att ge en kontrasterande färg av SPMSs att hjälpa automatisk spårning av SPMSs under fram drivning.

7. reaktiv Inkjet 3D-utskrift

Anmärkning: bläck stråle skrivare som används i dessa experiment är baserad på piezo aktive ras Jetting enheter med glas munstycken. Det finns flera kommersiellt tillgängliga bläck stråle skrivare för forskning som kan duplicera dessa funktioner.

  1. Använd sprututrustning med 80 μm munstycke diameter för tryckning av bläck på ett kisel substrat placeras på scenen vid ett arbets avstånd mellan munstycket och si-wafer substrat på cirka 5 mm. De geometriska formerna för SPMSs definieras digitalt som en serie punkter med X-Y-koordinater i en kalkyl blads fil.
    Obs: skrivaren läser koordinaterna seriellt och kör skrivaren därefter. Varje koordinatpunkt gör att skrivaren sprutar ut en gång genom Jetting enheten. Separata kalkylbladsfiler skapas för tryck färger A och B (se kompletterande filer [spms main Body. xlsx och spms Engine. xlsx]).
  2. Fyll på de tre tryck färgerna (A, B och C) i tre reservoarer (1,5 mL vardera) och justera sedan mottrycket med hjälp av back trycks ventilen för varje enskild kanal för att säkerställa att bläcket inte droppar från sprutanordningarna.
    Obs: tre Jetting enheter på oberoende kanaler behövs.
  3. Justera sprutnings parametrarna (stig tid 1, uppehålls tid, fall tid, eko tid, Stig tid 2, Tom gångs spänning, uppehålls spänning, ekospänning) för varje kanal för att säkerställa att varje tryck färg ger en bra stabil DROPP bildning (figur 2).
    Obs: dessa parametrar är Jetting enhet och bläck beroende och kommer att behöva justeras i enlighet därmed.
  4. Skriv ut sidenfibroin bläck lager-för-lager omväxlande med metanol på ren polerad si-wafer substrat: steg 1, tryckning av bläck A (huvud organ); steg 2: tryck av bläck C (härdnings bläck); steg 3: tryckning av bläck B (katalytiskt bläck för motor anläggningar); steg 4: tryck av bläck C (härdnings bläck); steg 5: Upprepa steg 1-4 för önskade lager som krävs (t. ex. 100).
    Anmärkning: två exempel design för 4 stadier ingår i kompletterande filer; SPMS main Body. xlsx används för steg 1 och steg 2, och SPMS Engine. xlsx används för steg 3 och steg 4.
  5. Skriv ut två partier av fibroin också väldigt spmss med 200 lager och 100 lager tjocklek, respektive.
    Obs: katalasmotorn är placerad på sidan av ena änden av varje omrörare. Sålunda har omrörare en katalytisk motor (se figur 1 röd region).
  6. För att ta bort proverna från si-wafersen, Sänk proverna i DI-vatten och skaka försiktigt tills avlossning sker.

8. data insamling/spårning och banan analys av självgående omrörare

  1. Rengör ett glas petriskål (9 cm i diameter) med DI vatten se till att ytan är dammfri.
  2. När den är ren och torr, tillsätt 10 mL förfiltrerat (0,45 μm) 5% w/v H2O2 in i petriskål och låt att sedimentera. Lysa upp botten av petriskål med en sval vit lysdiod (LED) ljus källa och använda en höghastighets kamera med makro zoomobjektiv för att fånga rörelse uppifrån. Spara videor som AVI-filer.
    Obs: se material tabell för information om den utrustning som används.
  3. Tvätta de tryckta silkes omrörarna i 10 minuter genom att doppa dem i DI-vatten för att avlägsna eventuella obundna PEG400. Ta försiktigt en tvättad omrörare med spetsen på en steril sprutnål och placera den i mitten av petriskål. När den tvättade omröraren vidrör H2O2 Fuel, bubblor börjar bildas runt motorn och cirkulär rörelse av omrörare observeras. När systemet visas stabilt (vanligt vis 10 − 30 s senare) trycker du på Record i inspelnings programmet för att börja spela in videon.
  4. Utför spårning av mikroomrörare på en ram för ram basis, spåra varje ände av omrörare som indikeras av punkterna A och B i figur 3.
    Obs: detta kan göras manuellt eller med hjälp av spårnings program.
  5. Från de erhållna spårnings data, beräkna den moment Ana hastigheten mellan två på varandra följande ramar (t. ex. 1 och 2) med hjälp av ekvationen nedan och genomsnittet de resulterande hastigheter från hela sekvensen för att få den genomsnittliga momentan hastighet.
  6. Dessutom beräkna vinkeln för orientering φ. Använd sedan förändrings takten för φ för att bestämma rotations hastigheten (figur 3).
    Equation 2
    Anmärkning: vid beräkning av momentan hastigheter från spårade bilddata, är det viktigt att den första bilden av ett objekt med kända dimensioner tas för att kunna beräkna rätt pixel till mikrometer värden. Dessa värden beror på kamerans, objektivet och avståndet som används. Beroende på vilken typ av tryckt partikel, välja olika spårnings punkter för beräkning av hastigheten. Till exempel, här spårnings punkter A, B och C (Mass centrum) används alla för att bestämma momentan hastigheter (figur 3).

9. karakterisering av SPMSs genom SEM

  1. Ta bort oanvända och använda SPMSs från si-wafer eller bulklösning och överför dem till 10 mm breda kol klibbiga kuddar monterade på aluminium Scan elektronmikroskopi (SEM). Torka proverna i en tork ugn i 10 min vid 60 ° c.
  2. Ladda provet stubbar på spotta bestrykare scenen. Sputter Coat (argon plasma vid 0,05 torr) 50 – 100 Nm guld på proverna, vilket garanterar en homogen guldtäckyta av provet.
  3. Ta bort provet stubbar från spotta bestrykare och bild i en SEM under vakuum på 5,0 kv.
    Obs: mycket höga accelerations spänningar kan bränna siden och ge upphov till falska drag.

Representative Results

Efter kokning av siden, det förväntas att de torkade fibrerna är runt en tredjedel ljusare än tidigare, vilket tyder på en lyckad avlägsnande av sericin. Under upplösningen av siden i Ajisawa reagens, fibrerna bör vara helt upplöst, och en gul trög flytande vätska bör återvinnas. Efter dialys ska silkes lösningen vara mindre trög flytande men ändå Visa en svagt gul färg. Om siden har förvandlats till gel, detta tyder på att upplösningen inte gjordes framgångs rikt.

Stabila droppar som bildas från sprutanordningarna kommer att möjliggöra den högre definitionen av de tryckta proverna. Figur 2 visar ett exempel på en stabil enkel droplet-bild som ger bra utskrifts resultat, till exempel de tryckta sidenstirrarna som visas i figur 4. Det är normalt, beroende på hur trög flytande bläcket är, att spridningen sker på substratet.

Beroende på vilka bläck stråle skrivare som används och droplet-storleken, måste avståndet mellan varje tryckt droplet justeras så att de överlappar varandra för att generera anslutna linjer. Om dropparna är för långt ifrån varandra kommer den tryckta konstruktionen att brytas sönder. Förutom detta, om inte tillräckligt lager trycks, finns det en chans att mikro-omrörare bryta när de placeras i bränsle lösning. När omrörare har tagits bort från underlaget och tvättas, placera dem i väteperoxid bränsle lösning omedelbart bör resultera i bubblor bildas. Framgången klassar av bra bubbla frigör beror starkt på enzym aktiviteten; om enzym aktiviteten är låg kommer färre bubblor att bildas vilket leder till dåliga fram drivnings resultat. Figur 5 visar hur den ytliga morfologin hos omrörare ändras på grund av att bubblorna frigörs från de inre strukturerna som genererar små porer. En framgångs rik mikro-omrörare kommer att likna de som kan ses i figur 6 och de två kompletterande videor S1 och S2 respektive.

Figur 6 visar stillbilder av två representativa, 100-skikts (figur 6a) och 200-skikt (figur 6b) mikro-omrörare i 5% H2O2 Fuel. De röda och gröna linjerna visar de banor som spåras (se kompletterande videor S1 och S2). Rotations hastigheten kan bestämmas av förändrings takten (ɸ, figur 3) som visas i figur 7. Jämförelse av 100-lager och 200-Layer katalas dopade mikro-omrörare visar en distinkt ökning av rotations hastigheten för ~ 0,6 gånger från 60 ± 6 RPM till 100 ± 10 rpm (figur 7).

Figure 1
Figur 1: Schematisk illustration av den katalytiska nedbrytningen av väteperoxid i vatten och syre genom katalas inbäddad i omrörarens byggnads ställning på önskade platser (visas i rött). Produktens syre bubblor ger den nödvändiga fram drivning för att flytta omröraren. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: tids fördröjnings bilder av DROPP bildningen av RSF från en Jetting anordning (munstycke diameter 80 μm). Siffrorna under bilderna representerar den tid som förflutit, i mikrosekunder (μs), sedan inledandet av Jetting av sidenbläck droplet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Schematisk representation av partikel spårning över två på varandra följande ramar. A och B indikerar spårnings punkter och C anger Mass centrum. φ anger vinkeln för orienteringen. SPMS bana riktning indikeras av den böjda svarta pilen. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: ljus mikrograf av en nyligen tryckt mikro-omrörare (100 lager) före tvättning. Röd ruta betecknar katalas dopade region (motor region). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: SEM bilder av huvud kroppen och katalas motor del av en SPMS efter porer bildas på grund av Bubble release. Porerna kan tydligt ses på motorns yta i SEM-bilder av SPMSs med ursprung från syre Bubble release. (A) Silk Micro-omrörare före exponering för 5% w/v H2O2 bränsle lösning. (B) Silk spms efter exponering för 5% w/v H2O2 bränsle lösning. Bilder till höger är utvidgningar av de röda regionerna. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: video ramar av två mikro-omrörare i 5% bränsle lösning som visar banan över tid. (A) mikroomrörare med 100 lager. B) mikroomrörare med 200 lager. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7: jämförelse av orienterings vinkeln (φ) för 100-skikt (60 ± 6 rpm) och mikroomrörare med 200 skikt (100 ± 10 rpm). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande video S1: representativ 100-Layer Self-motile Micro-omrörare i 5% w/v H 2 för att O 2 för att som genomgår fram drivning. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.

Kompletterande video S2: representativ 200-Layer Self-motile mikro-omrörare i 5% w/v H 2 för att O 2 för att som genomgår fram drivning. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.

Discussion

Ett viktigt inslag i SPMSs som produceras i detta protokoll är förmågan att snabbt och enkelt designa olika former och strukturer via RIJ av silke dopade med enzymer som katalas och uppnå kemiskt driven rörelse via bubbla fram drivning5. Detta tillsammans med den höga biokompatibilitet18 av dessa omrörare gör dem mycket önskvärda för framtida tillämpningar för både vatten sanering utmaningar samt för Lab-on-a-chip applikationer för medicinsk diagnostik enheter.

Här demonstreras fram drivnings förmågan genom att använda en enkel linje konstruktion med en motor del tryckt på sidan av den som visas i figur 1. De röda prickarna representerar de katalytiskt aktiva katalas-dopade motor delarna och de blå prickarna representerar de inaktiva delarna. För att kunna generera 3D-former via RIJ är det nödvändigt att skriva ut flera lager för att generera en z-axelhöjd. Här var antalet lager deponeras på en si-wafer var 100 och 200. Genom att variera antalet lager, en skillnad i fram drivnings hastighet/rotation jämförbar med deponering dubbelt mängden material kan hittas. För att ha väl definierade strukturer under bläck stråle utskrifter är det viktigt att rätt sprutparametrar väljs för att uppnå en väldefinierad droplet som visas i figur 2. Dessa parametrar kommer att variera beroende på bläcket som används och Jetting enheter. Om bläcket inte producerar stabila droppar, då bläcket är troligen inte längre lämpar sig för utskrift och är troligen börjar förvandlas till gel. Det är viktigt att notera att upplösnings gränsen är starkt beroende av storleken på munstycket som används, och mindre munstycken möjliggör högre upplösning och mindre strukturer/partiklar som trycks.

Ett exempel på RIJ tryckt sidenomrörare visas i figur 4, där katalas dopade motor delen (som indikeras av den röda markerade regionen) kan ses fäst vid sidan av huvud delen (se även schematiska i figur 1 för detaljer). Den tryckta sidenställningen är ett material som gör det möjligt för bränsle lösningen att sprida sig över hela 3D-strukturen, och därmed bildas syre bubblor under nedbrytningen av väteperoxid via katalas. De syre bubblor som släpps generera Micron-skala porer i siden byggnads ställning struktur som kan ses genom att jämföra SEM elektronmikrografier före exponering för h2o2 bränsle (figur 5a) och efter H2o2 exponering ( Figur 5B). För att säkerställa att rörelse beror på nedbrytning av H2O2 Fuel men inte ytspänning driven via frisättning av PEG400, är det viktigt att omrörare initialt sänks ned i vatten under minst 10 minuter och testas i di vatten för ytspännings rörelse före fram drivning i bränsle lösning.

Användningen av PEG400 möjliggör bättre frisättning av bubblor från sidenytan19 som tidigare förklarats av Gregory et al.5 men kan också ge upphov till ytspännings driven fram drivning, vilket kan vara önskvärt beroende på tillämpning som tidigare beskrivits20. Denna andra mekanism ger också möjlighet att producera SPMSs med två mekanismer som är tids beroende och kan vara fördelaktigt för vissa tillämpningar som skulle till exempel förvänta inledande kraftig omrörning i början följt av långsammare fortsatt under längre tids perioder20.

Sammanfattnings vis, genom att använda RIJ för att producera autonoma självgående enheter, kan ett brett spektrum av former och storlekar lätt utformas och skrivas ut. Silke som bas material för enheterna ger möjligheter att enkelt kapalera enzymer och andra delar i strukturerna vilket ger möjlighet att lägga till funktioner till dessa enheter.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Författarna vill erkänna stöd från EPSRC via X. Zhao ' s reaktiva bläck stråle skrivare utskrift av silke material utmärkelser (EP/N007174/1 och EP/N023579/1), S. J. Ebbens karriär acceleration Fellowship, och hälso-och sjukvårds teknik Impact Fellowship (EP/J002402/ 1 och EP/N033736/1). Författarna tackar också Dr Qingyou Xia från staten nyckel laboratorium för Silkworm genom biologi, Southwest University, Kina för att ge silkes kokonger.

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