JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
化学

الطباعة النافثة للحبر التفاعلية وتحليل الدفع من الحرير الذاتي المحركات الصغيرة

Published: April 26, 2019
doi:
10.3791/59030
, , , , , ,
1Department of Chemical and Biological Engineering,University of Sheffield, 2School of Engineering,University of Liverpool

Summary

هذا البروتوكول يدل علي القدرة علي الاستفادة من الطباعة النافثة للحبر رد الفعل لطباعه الذاتي motile متوافقة مع البيئة الحيوية وصديقه للبيئة للاستخدام في التطبيقات الطبية الحيوية والبيئية.

Abstract

في هذه الدراسة ، يتم الإبلاغ عن بروتوكول لاستخدام الطباعة النافثة للحبر التفاعلية لافتعال السباحين الحرير انزيمي دفع مع الاشكال المحددة جيدا. الاجهزه الناتجة هي مثال للكائنات ذاتية الدفع قادره علي توليد الحركة دون يشتغل الخارجي ولها تطبيقات محتمله في الطب والعلوم البيئية لمجموعه متنوعة من الأغراض التي تتراوح بين التحريك الدقيق ، المستهدفة التسليم العلاجي ، لمعالجه المياه (علي سبيل المثال ، وتنظيف انسكابات النفط). تستخدم هذه الطريقة الطباعة النافثة للحبر التفاعلية لتوليد هياكل الحرير الصلبة الصغيرة النطاق المحددة جيدا عن طريق تحويل الحرير الليفي القابل للذوبان في الماء (الحرير الأول) إلى الحرير الليفي غير قابله للذوبان (الحرير الثاني). هذه الهياكل هي أيضا مخدر انتقائي في مناطق معينه مع الكاتلاز الانزيم من أجل إنتاج الحركة عن طريق توليد فقاعه ومفرزه. يحدد عدد الطبقات المطبوعة البنية ثلاثية الابعاد (3D) الخاصة بالجهاز ، وهكذا يتم الإبلاغ عن تاثير هذه المعلمة علي المسارات الاختبارية. وتبين النتائج القدرة علي ضبط الحركة باختلاف ابعاد الهياكل المطبوعة.

Introduction

الاصطناعية ذاتية الدفع الصغيرة (spmss) توظيف مجموعه متنوعة من أليات التسيير لإنتاج الحركة ، والتي يمكن تصنيفها اما الدفع الكيميائية1،2،3،4، 5 , 6 أو الدفع الخارجي المادي. ومن أليات المشتركة للدفع الكيميائي استخدام النشاط الحفاز أو الانزيمي لتوليد الحركة التي تنتج التدرجات أو توليد الفقاعات التي تضفي زخما علي الجسم عند فصله. وقد حققت الدراسات السابقة العديد من SPMSs المحفزة والكيميائية ، بما في ذلك الخرز البوليسترين مع النانويه البلاتين وكثف الكروم علي السطح1، الذهب البلاتين معدنين يانوس نانو قضبان2، المغنيسيوم يانوس الصغيرة الركاب3، الصغيرة-الركاب مصنوعة من نواه المغنيسيوم وقذيفة ثاني أكسيد التيتانيوم مع الذهب جزءا لا يتجزا من الجسيمات النانويه4، والحرير الليفية يانوس الصغيرة صواريخ مع الكاتلاز جزءا لا يتجزا من سقالة5. وتشمل أليات الدفع المادي المغناطيسي7،8، البصرية9، والموجات فوق الصوتية10 أنظمه الدفع ، التي يتم التحكم فيها من قبل مصدر مادي خارجي. اعتمادا علي التطبيق المقصود ، يمكن ان تتراوح حجم SPMS من بضع نانومتر إلى عده مئات من ميكرومتر. أمثله من التطبيقات المحتملة لهذه المذكورة أعلاه وغيرها من SPMSs هي التشخيص الطبي للامراض مع المختبر علي رقاقه الاجهزه11، والتحميل في الجسم المستهدف تسليم التداوي12، الإصلاح البيئي3 (علي سبيل المثال ، الانسكابات النفطية المنظفة) ، والتحلل الضوئي لعوامل الحرب الكيميائية والبيولوجية ، مثل عصيات جمره وعوامل الأعصاب4. التطبيق المستهدف يعتمد عليه ، ولذلك فمن المستحسن ان تكون قادره علي إنتاج SPMSs التي تخضع لمسارات محدده مثل مسارات خطيه طويلة لتحديات النقل أو مسارات التناوب لتطبيقات الخلط الصغير. التركيز هنا هو علي الحركة التناوبية لتحريك التطبيقات.

لا توجد طريقه واحده راسخة لافتعال SPMSs ، ولكن للتطبيقات الطبية والبيئية ، فمن الضروري استخدام ماده متوافقة بيولوجيا ، قابله للتحلل ، صديقه للبيئة ، ومتاحه بسهوله ، ورخيصه وتسمح بتصنيع سهل من SPMSs معقده دون الحاجة إلى معدات متطورة. الحرير الليفي المجدد (مراسلون بلا حدود) هو واحد من هذه المواد التي تستوفي كل هذه المعلمات جنبا إلى جانب كما تمت الموافقة عليها من قبل أداره الغذاء والدواء (FDA).

الحرير هو مصطلح عام يستخدم للعديد من البروتينات الليفية التي تحدث بشكل طبيعي ، منها ، والأكثر شهره هو الذي ادلي به يرقات عثة الحرير ، والقنابل موري، قبل pupation لها. هذه الحلوى مصنوعة من الخلايا الليفية ، بروتين ليفي ، عالق مع بروتين آخر يسمي سيراسين. وقد تم العثور علي الحرير ليفي (SF) ان يكون لها خصائص ميكانيكيه ممتازة ، والتوافق البيولوجي ، و تحلل13، مما يجعلها الخيار المثالي لافتعال spmss. SF موجود في ثلاثه اشكال متعددة ، وهي الحرير الأول والثاني والثالث. الحرير الأول هو شكل متبدل للذوبان في الماء تحتوي علي الحجر الشمسي ولفائف عشوائية أساسا. الحرير الثاني هو شكل المياه غير القابلة للذوبان التي تحتوي أساسا علي ورقه المضادة للمتوازي β من الحرير تبلور ؛ والحرير الثالث هو هيكل حلزوني ثلاثي الحلقات 2 الثاني الذي يتواجد في واجهه الماء والهواء من محلول الحرير. مماثله لغيرها من البروتينات الليفية ، SF لديه تكرار وحدات من تسلسل الأحماض الامينيه. و SF التي تحدث بشكل طبيعي من شرنقة يتكون من ثلاثه مجالات سداسية الأضلاع الرئيسية لمثل هذه الوحدات المكررة (GAGAGX) ، في حين ان X يمكن ان تكون A ، S ، أو Y. من خلال ربط الهيدروجين ، و (GA) ن الزخارف من الهياكل المتوازية β ورقه كومه مزيد من المكدس من خلال القوات فان دير فالس وشكل مسعور نانو كريستاليزيشنز14،15.

ويمكن زيادة تحسين التوافق البيولوجي من خلال السعي إلى دفع الدفع باستخدام الانزيمات التي تحدث بشكل طبيعي لتوليد تدرج التركيز أو فقاعات الغاز في وسط سائل (الوقود). التالي ، في هذه الدراسة ، يتم استخدام الكاتلاز الانزيم باسم “المحرك” لتوليد الدفع مع بيروكسيد الهيدروجين المستخدمة كوسيلة للوقود المائي. Catalase هو انزيم موجود في جميع الكائنات الحية تقريبا. انه يحفز تحلل بيروكسيد الهيدروجين (H2O2) في الماء والأكسجين16. إطلاق فقاعات الأكسجين من مواقع الانزيم من SPMSs يولد قوه علي الكائن مما تسبب في الخضوع للدفع في الاتجاه المعاكس للإصدار فقاعه5 (الشكل 1).

في SPMS يحركها محفزه ، والمواقع المختلفة للموقع الحفاز النتائج في سلوك الدفع المختلفة والمسارات1. وسعيا لتوليد المحركات الدقيقة الفعالة ، فانه من الضروري اختلاق المحركات ذات الاشكال الهندسية المحددة جيدا ومواقع المشغلات ومقارنه القوي المختلفة للمحرك. هنا ، لتسهيل هذه التحقيقات ، ويوصف كيف يتم ملفقه الحرير الليفية المتجددة SPMSs في مقياس ملليمتر باستخدام رد الفعل النافثة للحبر الطباعة (RIJ) التكنولوجيا. الطباعة النافثة للحبر هي طريقه غير الاتصال لترسب المواد. وهذا يجعل تصنيع الهياكل المعقدة الصغيرة مع دقه عاليه في توليد مختلف الاشكال مباشره. RIJ يحدث عندما يتم إيداع اثنين أو أكثر من المواد المختلفة رد فعل وتتفاعل علي الركيزة لإنتاج مواد المنتج المطلوب. التالي ، فان SPMSs المطبوعة باستخدام موقع الحركة التحفيزية الواحدة خارج المركز يعطي عدم تناسق الكائن الذي ينتج عنه حركات الدوران. هذا النهج يجعل من السهل أيضا لتصنيع الركاب الصغيرة في مجموعه متنوعة من الاشكال وتكوينات التصميم المحددة من قبل التصميم بمساعده الكمبيوتر (CAD) ، مما يسمح للتحكم أسهل وأكثر دقه علي الحركة المطلوبة اثناء عمليه التطبيقات. وأخيرا ، فان قدره أجهزه الطباعة ذات السماكة المتفاوتة التي تظهر خصائص الدفع المختلفة تظهر.

تقدم هذه الدراسة مخططا لتصنيع الخدمات الهندسية الخاصة مع مراسلون بلا حدود علي مقياس ميكرومتر إلى مليمتر. استخدام تكنولوجيا RIJ لتصنيع مراسلون بلا حدود الركاب الصغيرة يفتح الباب لإنتاج متعددة الاستخدامات للغاية من الركاب الصغيرة من المواد مثل السقالات المنتجة في الموقع أو الهلام المائي ، والتي لا يمكن بخلاف ذلك ان تودع أو ملفقه من خلال وسائل أخرى مثل التبخر. ويمكن ان تكون هذه الاجهزه مناسبه للمعالجة البيئية3، مثل تنظيف السموم البيولوجية ، والملوثات العضوية ، وعوامل الحرب الكيميائية والبيولوجية4.

Protocol

تحذير: الرجاء مراجعه أوراق المعلومات ذات الصلة سلامه المواد قبل استخدام بيروكسيد الهيدروجين ، كربونات الصوديوم ، الايثانول ، كلوريد الكالسيوم ، والميثانول. ضمان ارتداء جميع معدات الحماية الشخصية المناسبة بما في ذلك الضوابط الهندسية اثناء مناوله المواد الكيميائية المستخدمة في هذا البروتوكول. 1. استخراج الخلايا الليفية نقطع 5 جرام من الحرير المنظف إلى 1 سم2 قطعه صغيره باستخدام المقص. يغلي 2 لتر من الماء منزوع الأيونات (DI) في كوب 2 لتر علي صفيحه مغناطيسيه ساخنه تحت غطاء محرك الاستخراج. أضافه 4.24 غرام من كربونات الصوديوم تدريجيا وببطء في الماء المغلي لتجنب الغليان أكثر وندعه يذوب مع مساعده من شريط تحريك المغناطيسي. الانتظار حتى يبدا الحل يغلي مره أخرى وأضافه قطع قطع من البالونات في الحل. تاكد من غمر جميع الحرير في المحلول والحفاظ علي المحلول يغلي تحت التحريك المستمر لمده 90 دقيقه. تغطيه الكاس بخفه مع رقائق ألومنيوم واعلي مع المياه DI مسخن بانتظام لتجديد فقدان المياه بسبب التبخر. 2. تجفيف الخلايا الليفية أزاله ألياف الليفية المستخرجة من محلول كربونات الصوديوم مع قضيب زجاجي أو ملعقة ويغسل 3x مع 1 لتر من الماء المسخن DI لكل غسل ، وخفض درجه الحرارة تدريجيا لكل خطوه الغسيل (حوالي 60 درجه مئوية ، 40 درجه مئوية ، ودرجه حرارة الغرفة ، 25 درجه مئوية). انتشرت ألياف الليفية علي 750 مل بوروسيليكات الزجاج تبلور الطبق ووضعه في فرن التجفيف في 60 درجه مئوية تحت الضغط الجوي وترك لتجف بين عشيه وضحيها. مره واحده المجففة ، وتخزين الخلايا الليفية في حاويه مغلقه في درجه حرارة الغرفة. 3. انحلال الورم الليفي اعداد الحل الثلاثي (كاشف Ajisawa) التي تحتوي علي 4.8 غرام من المياه دي ، 3.7 غرام من الايثانول ، و 3.1 غرام من كلوريد الكالسيوم17. وضع قارورة أسفل الرقبة اثنين من الجولة (100 mL) في حمام المياه ، التي ادلي بها ملء 750 مل بوروسيليكات الزجاج تبلور الطبق مع 600 mL من المياه DI ، علي راس لوحه الساخنة المغناطيسي. ضع المحلول الثلاثي داخل القارورة. وضع ميزان الحرارة في واحده من رقاب لمراقبه درجه حرارته الحل بدقه. تغطيه الرقبة الأخرى مع إحباط ألومنيوم لمنع تجفيف من الحل بسبب التبخر (أو استخدام المياه المبردة الارتجاع المكثف). تسخين الحل إلى 80 درجه مئوية.ملاحظه: تاكد من ان لمبة ميزان الحرارة داخل الحل. عندما تكون درجه حرارة المحلول مستقره عند 80 درجه مئوية ، قم بازاله رقائق ألومنيوم وأضف 1 غرام من الخلايا الليفية المجففة إلى المحلول. أضافه شريط تحريك مغناطيسي صغير لضمان ان يتم خلط الحل بشكل جيد طوال عمليه الانحلال. تغطيه الرقبة الثانية مره أخرى مع إحباط ألومنيوم للتقليل من التبخر ولكن الحفاظ علي النظام مفتوحا. يترك لأذابه لمده 90 دقيقه. 4. غسيل الكلي من محلول ليفي بعد 90 دقيقه من انحلال ، وترك محلول ليفي لمده 10 دقيقه لتبرد وصولا إلى درجه حرارة الغرفة. خذ أنبوب غسيل الكلي الطويل 1 15 سم (الوزن الجزيئي المقطوع 12000 − 14000 كده) واربط عقده في أحد الطرفين. اغسله لبضع دقائق مع تشغيل المياه DI من الصنبور. فتح الطرف الآخر وتصب المحلول الليفي في الداخل. باستخدام مشبك معدني ، اغلق الطرف الآخر من أنبوب غسيل الكلي لضمان إغلاق الأنبوب باحكام بقدر الإمكان. نعلق واحده من نهايات أنبوب غسيل الكلي عن طريق غطاء المسمار إلى قارورة فارغه 30 مل من البلاستيك للسماح لأنبوب غسيل الكلي لتعويم في الماء. ملء كوب 2 لتر مع 2 لتر من الماء DI ووضع أنبوب غسيل الكلي داخلها. تغيير الماء علي فترات منتظمة. تحقق من الموصليه المياه في كل مره يتم تغييرها لمتابعه عمليه غسيل الكلي. تنتهي خطوه غسيل الكلي مره واحده الموصليه المياه اقل من 10 μS/سم.ملاحظه: تستغرق هذه العملية عاده حوالي 24 − 36 ساعة مع 5 تغييرات في الماء. بعد الغسيل الكلوي كامله ، وقطع واحده من نهاية أنبوب غسيل الكلي مع مقص وتصب الحل في سلسله من أنابيب 1.5 mL. ثم ، الطرد المركزي لمده 5 دقائق في 16,000 x g لأزاله اي جزيئات داخل محلول ليفي. جمع ماده طافي في قارورة بلاستيكية 30 مل وتخزينها في 4 درجه مئوية. 5. تحديد تركيز الحل لمراسلون بلا حدود تزن شريحة زجاجيه نظيفه (W1). أضافه 200 μL من محلول الحرير (V1). اترك الشريحة الزجاجية في الفرن عند 60 درجه مئوية لمده 2 ساعة. تزن الشريحة الزجاجية مره أخرى (W2). احسب تركيز محلول الحرير (w/v) باستخدام الصيغة التالية: 6. اعداد الأحبار للطباعة اعداد الحبر A (الحجم النهائي 1.5 mL) عن طريق خلط محلول ليفي (40 ملغ/مل) ، البولي إيثيلين جلايكول 400 (PEG400؛ 14 ملغ/مل) والماء منزوع الأيونات لطباعه الجسم الرئيسي لل spmss. لطباعه المحرك الحفاز من spmss ، مزيج ليفي (40 ملغ/مل) ، PEG400 (12 ملغ/مل) ، الكاتلاز (6 مغ/مل مع النشاط الحفاز من > 20000 وحده/ملغ) والماء منزوع الأيونات لجعل 1.5 mL من الحبر B. اعداد 1.5 مل من الحبر C عن طريق تذويب كوماسي الأزرق الرائع (0.05 ملغ/مل) في الميثانول.ملاحظه: يستخدم الميثانول لتحويل الخلايا الليفية العشوائية إلى أوراق بيتا جامده عن طريق طباعه الحبر C علي راس الحبر A أو الحبر b. كوماسي الأزرق الرائع يستخدم لتوفير لون متناقض من SPMSs للمساعدة في تتبع السيارات من SPMSs اثناء الدفع. 7. رد الفعل النافثة للحبر 3D الطباعة ملاحظه: تستند الطابعة النافثة للحبر المستخدمة في هذه التجارب علي الاجهزه النفاثة دفعت بيزو مع فوات الزجاج. هناك العديد من الطابعات النافثة للحبر المتاحة تجاريا للبحوث التي يمكن تكرار هذه الوظائف. استخدام الاجهزه النفاثة مع قطر فوهه 80 μm لطباعه الأحبار علي الركيزة السيليكون وضعت علي خشبه المسرح علي مسافة العمل بين فوهه والركيزة Si-رقاقه من حوالي 5 ملم. يتم تعريف الاشكال الهندسية من SPMSs رقميا كسلسلة من نقاط إحداثيات س-ص في ملف جدول بيانات.ملاحظه: يقرا الطابعة الإحداثيات ويقوم بتشغيل الطابعة وفقا لذلك. كل نقطه إحداثيات يجعل الطابعة النفاثة مره واحده من خلال جهاز النفث. يتم إنشاء ملفات جدول بيانات منفصلة لأحبار A و B (راجع الملفات الاضافيه [Spms الرئيسية الجسم. XLSX و Spms المحرك. xlsx]). قم بتحميل الأحبار الثلاثة (A و B و C) إلى ثلاثه خزانات (1.5 مل لكل منها) ثم اضبط الضغط الخلفي باستخدام صمام الضغط الخلفي لكل قناه علي حده للتاكد من ان الحبر لا يقطر من الاجهزه النفاثة.ملاحظه: هناك حاجه إلى ثلاثه أجهزه النفث علي قنوات مستقله. ضبط المعلمات نفث (ارتفاع الوقت 1 ، يسكن الوقت ، سقوط الوقت ، الوقت البيئي ، ارتفاع الوقت 2 ، الخمول الجهد ، يسكن الجهد ، صدي الجهد) لكل قناه لضمان ان كل حبر يعطي تشكيل قطره مستقره جيده (الشكل 2).ملاحظه: هذه المعلمات هي النفث الجهاز والحبر تعتمد وسوف تحتاج إلى تعديل وفقا لذلك. طباعه الحرير ليفية الحبر طبقه بطبقه بالتناوب مع الميثانول علي نظيفه مصقول Si-رقاقه ركائز: المرحلة 1 ، طباعه الحبر A (الجسم الرئيسي) ؛ المرحلة 2: طباعه الحبر C (علاج الحبر) ؛ المرحلة 3: طباعه الحبر B (الحبر الحفاز لمواقع المحرك) ؛ المرحلة 4: طباعه الحبر C (علاج الحبر) ؛ المرحلة 5: كرر المراحل 1-4 للطبقات المطلوبة (علي سبيل المثال ، 100).ملاحظه: يتم تضمين تصميمات مثالين للمراحل 4 في ” ملفات اضافيه”; SPMS الرئيسية الجسم. يتم استخدام xlsx للمرحلة 1 والمرحلة 2 ، و SPMS المحرك. ويستخدم xlsx للمرحلة 3 والمرحلة 4. طباعه دفعتين من الخلايا الليفية SPMSs مع 200 طبقات و 100 سمك الطبقات ، علي التوالي.ملاحظه: يقع محرك الكاتلاز علي جانب واحد من نهاية كل الركاب. التالي ، فان الركاب لديهم محرك حفاز واحد (انظر الشكل 1 المنطقة الحمراء). لأزاله عينات من الرقائق Si ، تزج عينات في الماء DI والتحريض بلطف حتى يحدث انفصال. 8. الحصول علي البيانات/تتبع وتحليل مسار الركاب ذاتية الدفع تنظيف صحن بتري الزجاج (9 سم في القطر) مع المياه DI ضمان ان السطح هو الغبار الحرة. مره واحده نظيفه وجافه ، أضافه 10 مل من قبل تصفيتها (0.45 μm) 5 ٪ ث/ ف2س 2 في طبق بيتري وترك لتسويه. تضيء الجزء السفلي من طبق بتري مع بارد ابيض الباعثة علي ضوء الصمام الثنائي (LED) مصدر الضوء واستخدام كاميرا عاليه السرعة مع عدسه التكبير الماكرو للتقاط الحركة من أعلاه. حفظ مقاطع الفيديو كملفات .avi.ملاحظه: انظر جدول المواد للاطلاع علي تفاصيل المعدات المستخدمة. غسل الركاب الحرير المطبوعة لمده 10 دقيقه عن طريق غمر لهم في المياه دي لأزاله اي400PEG غير منضم. تاخذ بعناية واحده الركاب غسلها مع غيض من ابره حقنه معقمه ووضعه في وسط طبق بتري. عندما يلمس الركاب غسلها H2O2 الوقود ، فقاعات بدء تشكيل حول المحرك ولوحظ حركه دائريه من الركاب. عندما يظهر النظام مستقرا (عاده 10 − 30 ثانيه لاحقا) ، اضغط علي سجل في برنامج التسجيل لبدء التقاط الفيديو. القيام بتتبع الركاب البالغين الصغر علي أساس اطار بالإطار ، وتتبع كل طرف من الركاب علي النحو المبين في النقطتين الف وباء في الشكل 3.ملاحظه: هذا يمكن القيام به يدويا أو مع المعونة من تتبع البرمجيات. من بيانات التتبع التي تم الحصول عليها ، احسب السرعة اللحظية بين إطارين متتابعين (علي سبيل المثال ، 1 و 2) باستخدام المعادلة أدناه ، ومتوسط سرعات الناتجة من التسلسل بأكمله للحصول علي متوسط السرعة اللحظية. وعلاوة علي ذلك ، حساب زاوية φ التوجه. ثم استخدم معدل التغير من φ لتحديد سرعه الدوران (الشكل 3).ملاحظه: عند حساب السرعات اللحظية من بيانات الصورة المتعقبة ، من المهم ان يتم أخذ الصورة الاوليه للكائن ذو الابعاد المعروفة لتكون قادره علي حساب البكسل الصحيحة إلى القيم ميكرومتر. ستعتمد هذه القيم علي الكاميرا والهدف والمسافة المستخدمة. اعتمادا علي نوع الجسيمات المطبوعة ، اختر نقاط تتبع مختلفه لحساب السرعة. فعلي سبيل المثال ، تستخدم جميع نقاط التتبع A و B و C (مركز الكتلة) لتحديد السرعات اللحظية (الشكل 3). 9. توصيف الانظمه الخاصة بالوزارة أزاله SPMSs غير المستخدمة والمستخدمة من الحل Si-رقاقه أو السائبة ونقلها إلى 10 مم منصات لزجه الكربون واسعه شنت علي ألومنيوم فحص الكترون المجهر (SEM) بذره. تجفيف العينات في فرن تجفيف لمده 10 دقيقه في 60 درجه مئوية. تحميل بذره العينة علي المرحلة المغطي الكامل. معطف سبيتر (البلازما الأرغون في 0.05 Torr) 50-100 نانومتر من الذهب علي العينات ، وضمان تغطيه سطح الذهب متجانسة من العينة. أزاله بذره العينة من المغطي والصورة في SEM تحت فراغ في 5.0 kV.ملاحظه: الفولتية تسارع عاليه جدا يمكن حرق الحرير وتؤدي إلى ميزات كاذبه.

Representative Results

بعد غلي الحرير ، فمن المتوقع ان ألياف المجففة حوالي ثلث أخف من ذي قبل ، مما يدل علي أزاله ناجحه من سيراسين. اثناء انحلال الحرير في كاشف اجيساوا ، يجب ان تذوب ألياف تماما ، وينبغي استرداد السائل اللزج الأصفر. بعد غسيل الكلي ، يجب ان يكون محلول الحرير اقل لزج ولكن لا تزال تظهر لون اصفر قليلا. إذا تحول الحرير إلى هلام ، وهذا يدل علي ان حل لم يتم بنجاح. ستمكن القطرات المستقرة المكونة من أجهزه النفث من التعريف الأعلى للعينات المطبوعة. ويبين الشكل 2 مثالا لقطره واحده مستقره لإعطاء نتائج طباعه جيده مثل الحرير المطبوع الذي يظهر في الشكل 4. فمن الطبيعي ، اعتمادا علي كيفيه لزج الحبر هو ، ان ينتشر يحدث علي الركيزة. اعتمادا علي الطابعات النافثة للحبر المستخدمة وحجم القطيرات ، المسافة بين كل قطره المطبوعة يحتاج إلى تعديل بطريقه ان تتداخل لتوليد خطوط متصلة. إذا كانت القطرات متباعدة جدا ، فان البنية المطبوعة ستنفصل. الاضافه إلى ذلك ، إذا لم يتم طباعه طبقات كافيه ، هناك فرصه لل الجزئي الركاب كسر عندما وضعت في محلول الوقود. مره واحده تم أزاله الركاب قباله الركيزة وغسلها ، ووضعها في محلول الوقود بيروكسيد الهيدروجين ينبغي ان يؤدي علي الفور في فقاعات يجري تشكيلها. يعتمد النجاح معدل من جيده فقاعه إطلاق بقوة علي الانزيم نشاط; إذا كان نشاط الانزيم منخفضا ، ستشكل فقاعات اقل مما يؤدي إلى نتائج الدفع الضعيفة. ويبين الشكل 5 كيف يتم تغيير مورفولوجية سطح الركاب بسبب الفقاعات التي يتم إطلاقها من الهياكل الداخلية توليد المسام الصغيرة. وسوف تبدو ناجحه الصغرى الركاب مماثله لتلك التي يمكن ان ينظر اليها في الشكل 6 واثنين من أشرطه الفيديو التكميلية S1 و S2 علي التوالي. الشكل 6 يظهر إطارات الفيديو لا يزال اثنين من ممثل ، 100 طبقه (الشكل 6a) و 200-طبقه (الشكل6a) الصغيرة الركاب في 5 ٪ H2O2 الوقود. تشير الخطوط الحمراء والخضراء إلى المسارات المتعقبة (راجع الفيديوهات الاضافيه S1 و S2). ويمكن تحديد سرعه الدوران بمعدل تغير الاتجاه (ɸ ، الشكل 3) كما هو مبين في الشكل 7. المقارنة بين 100 طبقه و 200-طبقه الكاتلاز الصغيرة الحجم ويظهر زيادة مميزه في سرعه الدوران من ~ 0.6 اضعاف من 60 ± 6 دوره في الدقيقة إلى 100 ± 10 دوره في الدقيقة (الشكل 7). الشكل 1: توضيح تخطيطي للانهيار التحفيزي لأكسيد الهيدروجين في الماء والأكسجين بواسطة كاتولاس المضمنة في سقالة الركاب في المواقع المرغوبة (المبينة باللون الأحمر). فقاعات الأكسجين المنتج توفر الدفع اللازمة لتحريك الركاب. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم. الشكل 2: الصور الفاصلة الزمنيه لتشكيل القطرات من مراسلون بلا حدود من جهاز النفث (قطر فوهه 80 μm). تمثل الأرقام الموجودة أسفل الصور الوقت المنقضي ، في ميكروثانية (μs) ، منذ بدء النفث من قطره الحبر الحريرية. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم. الشكل 3: التمثيل التخطيطي لتتبع الجسيمات علي إطارين متتابعين. يشير A و B إلى نقاط التتبع ويشير C إلى مركز الكتلة. φ يشير إلى زاوية التوجه. يتم الاشاره إلى اتجاه مسار SPMS بواسطة السهم الأسود المنحني. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم. الشكل 4: الرسم المجهري الخفيف لل RIJ المطبوعة الصغيرة الطازجة (100 طبقات) قبل الغسيل. مربع احمر يدل علي المنطقة المخدرة الكاتلاز (منطقه المحرك). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم. شكل 5: صور SEM من الجسم الرئيسي والمحرك الكاتلاز جزء من spms بعد المسام تتشكل بسبب الإفراج عن فقاعه. ويمكن رؤية المسام بوضوح علي سطح المحرك في صور SEM من SPMSs الناشئة من إطلاق فقاعه الأكسجين. (ا) الحرير الدقيقة الركاب قبل التعرض إلى 5 ٪ ث/الخامس H2O2 حل الوقود. (ب) spms الحرير بعد التعرض ل 5 ٪ ث/v H2O2 حل الوقود. الصور علي اليمين هي توسعات من المناطق الحمراء. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم. الشكل 6: إطارات الفيديو لاثنين من الركاب الصغار في محلول الوقود بنسبه 5% تبين المسار مع مرور الوقت. (ا) الركاب البالغون من الطبقات البالغة 100. (ب) ال200 الصغيرة الطبقات. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم. الشكل 7: مقارنه زاوية الاتجاه (φ) لطبقه 100 (60 ± 6 دوره في الدقيقة) و 200-طبقه (100 ± 10 دوره في الدقيقة) الصغيرة-الركاب. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم. فيديو اضافيه S1: ممثل 100 طبقه الذاتي motile الصغيرة-الركاب في 5% ث/v H 2 س 2 يخضع للدفع. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف. التكميلية الفيديو S2: ممثل 200 طبقه الذاتي motile الصغيرة-الركاب في 5% ث/v H 2 س 2 يخضع للدفع. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Discussion

ومن السمات الرئيسية لل spmss المنتجة في هذا البروتوكول هو القدرة علي بسرعة وسهوله تصميم مختلف الاشكال والهياكل عن طريق rij من الحرير مخدر مع الانزيمات مثل الكاتلاز وتحقيق حركه يحركها كيميائيا عن طريق الدفع فقاعه5. هذا مع التوافق الحيوي العالي18 من هذه الركاب يجعلها مرغوبة للغاية للتطبيقات المستقبلية لكل من التحديات المتعلقة باستصلاح المياه وكذلك للتطبيقات مختبر علي رقاقه لأجهزه التشخيص الطبي.

هنا ، يتم إثبات قدره الدفع من خلال الاستفادة من تصميم خط بسيط مع جزء محرك المطبوعة إلى الجانب منه كما هو مبين في الشكل 1. تمثل النقاط الحمراء أجزاء المحرك النشطة المحفزة للمحرك والنقاط الزرقاء تمثل الأجزاء غير النشطة. لتكون قادره علي توليد الاشكال 3D عبر RIJ ، فمن الضروري لطباعه طبقات متعددة من أجل توليد ارتفاع z-محاور. هنا ، كانت اعداد الطبقات المودعة علي الرقاقة Si 100 و 200. وباختلاف عدد الطبقات ، يمكن العثور علي فرق في سرعه الدفع/الدوران مقارنه بإيداع ضعف كميه المواد. من أجل ان يكون لها هياكل محدده جيدا اثناء الطباعة النافثة للحبر ، من المهم ان يتم تحديد المعلمات النفث الصحيح من أجل تحقيق قطره محدده جيدا كما هو موضح في الشكل 2. ستختلف هذه المعلمات وفقا للحبر المستخدم وأجهزه النفث. إذا لم ينتج الحبر قطرات ثابته ، فمن المرجح ان الحبر لم يعد مناسبا للطباعة ومن المرجح ان يبدا في التحول إلى هلام. من المهم ان نلاحظ ان الحد من القرار يعتمد بقوة علي حجم فوهه المستخدمة ، وفوهات أصغر تسمح لدقه اعلي وهياكل أصغر/الجسيمات التي يتم طباعتها.

ويرد مثال علي rij المطبوعة الحرير الركاب في الشكل 4، حيث الجزء المحرك المخدرات الكاتلاز (كما هو مبين من المنطقة الحمراء ملحوظ) يمكن ان ينظر اليها تعلق علي جانب الجسم الرئيسي (انظر أيضا التخطيطي في الشكل 1 للحصول علي التفاصيل). سقالة الحرير المطبوعة هي المواد التي تسمح لحل الوقود لنشر في جميع انحاء هيكل 3D كامل ، التالي تتشكل فقاعات الأكسجين اثناء تحلل بيروكسيد الهيدروجين عن طريق catalase. فقاعات الأكسجين التي يتم إطلاقها توليد المسام ميكرون النطاق في هيكل سقالة الحرير كما يمكن ان ينظر اليها عن طريق مقارنه الرسوم البيانية SEM قبل التعرض ل h2o 2 الوقود (الشكل 5a) وبعد h2o 2 التعرض ( الشكل 5 ب). من أجل ضمان ان الحركة بسبب تحلل H2O2 الوقود ولكن ليس التوتر السطحية مدفوعة عن طريق الإفراج عن شماعة400، فمن المهم ان الركاب مغمورة في البداية في الماء لمده لا تقل عن 10 دقيقه واختبارها في دي المياه لحركه التوتر السطحي قبل الدفع في حل الوقود.

استخدام PEG400 يسمح لإطلاق أفضل من فقاعات من سطح الحرير19 كما سبق شرحه من قبل غريغوري وآخرون.5 ولكن يمكن أيضا ان يؤدي إلى التوتر السطحي مدفوعة الدفع ، والتي قد تكون مرغوبة اعتمادا علي التطبيق كما وصفت سابقا20. وتتيح هذه اليه الثانية أيضا الفرصة لإنتاج أنظمه SPMSs ذات أليتين تعتمدان علي الوقت ويمكن ان تكون مفيده لبعض التطبيقات التي من شانها علي سبيل المثال ان تتوقع أثاره قويه أوليه في البداية متبوعه بتباطؤ مستمر التحريك لفترات طويلة من الزمن20.

في الختام ، باستخدام RIJ لإنتاج الذاتي ذاتية الحركة الاجهزه ، ومجموعه واسعه من الاشكال والاحجام يمكن تصميمها بسهوله وطباعتها. الحرير كماده أساسيه للاجهزه يعطي فرصا لتغليف بسهوله الانزيمات والآداب الأخرى في الهياكل مما يتيح امكانيه أضافه وظائف لهذه الاجهزه.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ويود أصحاب البلاغ ان ينووا بالدعم المقدم من الرابطة عبر الطباعة النافثة للحبر الخاصة بالمواد الحريرية (EP/N007174/1 و EP/N023579/1) ، وزمالة التعجيل الوظيفي الخاصة ب س. ج. ابينس (ep/J002402/ 1 و EP/N033736/1). ويشكر المؤلفون أيضا الدكتور تشينغانت سيا من مختبر الدولة الرئيسي لبيولوجيا الجينوم دوده القز ، جامعه ساوث ويست ، الصين لتوفير الجوز الحرير.

Materials

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. , 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). , 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). , 452-456 (2016).
  20. Zhang, Y., et al. Reactive Inkjet Printing of Functional Silk Stirrers for Enhanced Mixing and Sensing. Small. , e1804213 (2018).

Tags

Artificial IntelligenceAI Writing AssistantsCopywritingContent GenerationText-based ContentEfficiencyCreativityWriter’s BlockBlog PostsSocial Media PostsArticles

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image