JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Deutsch

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

Reaktive Inkjet-Druck-und Antriebsanalyse von seidenbasierten, selbstfahrenden Mikro-Rührern

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

Summary

Dieses Protokoll zeigt die Fähigkeit, den reaktiven Inkjet-Druck zum Drucken von selbstmotile biokompatible und umweltfreundliche Mikro-Rührwerke für den Einsatz in biomedizinischen und ökologischen Anwendungen zu nutzen.

Abstract

In dieser Studie wird ein Protokoll zur Verwendung des reaktiven Inkjet-Drucks zur Herstellung von enzymatisch angetriebenen Seidenschwimmern mit klar definierten Formen berichtet. Die daraus resultierenden Geräte sind ein Beispiel für selbstfahrende Objekte, die ohne externe Betätigung Bewegung erzeugen können und potenzielle Anwendungen in der Medizin und den Umweltwissenschaften für eine Vielzahl von Zwecken haben, die von Mikro-Rühren, gezielten Therapische Zubereitung, zur Wassersanierung (z.B. Ölverschmutzungen). Diese Methode nutzt den reaktiven Inkjet-Druck, um durch die Umwandlung wasserlöslicher regenerierter Seidenfibroin (Seide I) in unlösliches Seidenfibroin (Seide II) hochdefinierte, kleinformatige Massivseidenstrukturen zu erzeugen. Diese Strukturen werden auch selektiv in bestimmten Regionen mit der Enzymkatalase dotiert, um Bewegung über Blasenbildung und-ablösung zu erzeugen. Die Anzahl der gedruckten Ebenen bestimmt die dreidimensionale (3D) Struktur des Gerätes, und so wird hier die Wirkung dieses Parameters auf die Antriebskette berichtet. Die Ergebnisse zeigen die Fähigkeit, die Bewegung durch die Variation der Abmessungen der gedruckten Strukturen zu stimmen.

Introduction

Künstliche selbstfahrende Mikro-Rührwerke (SPMSs) nutzen eine Vielzahl von Antriebsmechanismen, um Bewegung zu erzeugen, die entweder als chemischer Antrieb 1,2 ,3,4,eingestuftwerden kann. 5 , 6 oder physischer Außenantrieb. Ein gängiger chemischer Antriebsmechanismus ist es, katalytische oder enzymatische Aktivität zu nutzen, um entweder bewegungsangebende Steigungen zu erzeugen oder Blasen zu erzeugen, die dem Objekt beim Ablösen Schwung verleihen. Frühere Studien haben mehrere katalytische und chemische SPMSs untersucht, darunter Polystyrol-Perlen mit Platin-Nanopartikeln und Chrom adsorbiert auf der Oberfläche1, Gold-Platin-Platin bimetallic Janus Nano-Stäbe 2, MagnesiumJanus Mikro-Rührer 3, Mikro-Rührer aus Magnesiumkern und Titandioxid-Schale mit eingebetteten Gold-Nanopartikeln 4 und Seidenfibroin Janus Mikro-Raketen mit Katalaseeingebettetin das Gerüst5. Zu den physikalischen Antriebsmechanismen gehören magnetische7,8, optische9und Ultraschallsysteme 10, die alle von einer externen physikalischen Quelle gesteuert werden. Je nach Verwendungszweck kann die SPMS-Größe von wenigen Nanometern bis zu mehreren Hundert Mikrometern reichen. Beispiele für mögliche Anwendungen dieser oben genannten und anderen SPMSs sind die medizinische Diagnose von Krankheiten mit Labor-on-a-Chip-Geräten11,Verladung und in vivo gezielte Lieferung von Therapeutika12, Umweltsanierung 3 (z.B. Reinigung von Ölverschmutzungen) und photokatalytischer Abbau chemischer und biologischer Kampfstoffe wie Bacillus Anthrais und Nervenmittel 4. Zielgruppenabhängige Anwendungen sind daher wünschenswert, SPMSs herstellen zu können, die sich spezifischen Flugbahnen unterziehen, wie zum Beispiel lange lineare Flugbahnen für Transportaufgaben oder Rotationswege für Mikromischanwendungen. Der Fokus liegt dabei auf der Rotationsbewegung für Rühranwendungen.

Es gibt keine einzige etablierte Methode zur Herstellung von SPMSs, aber für medizinische und ökologische Anwendungen ist es wichtig, ein Material zu verwenden, das biokompatibel, biologisch abbaubar, umweltfreundlich, leicht verfügbar, billig ist und eine einfache Herstellung von komplexen SPMSs ermöglicht. Ohne ausgeklügelte Ausrüstung. Regeneriertes Seidenfibroin (RSF) ist ein solches Material, das alle diese Parameter erfüllt und auch von der Food and Drug Administration (FDA) zugelassen wird.

Seide ist ein Oberbegriff, der für mehrere natürlich vorkommende Faserproteine verwendet wird, von denen die am häufigsten bekannte die Larven der Seidenmotte, Bombyx mori, vorihrer Vermehrung hergestellt werden. Diese Kokons bestehen aus Fibroin, einem faserigen Protein, das mit einem anderen Protein, dem Sericin, zusammengeklebt ist. Seidenfasin (SF) hat hervorragende mechanische Eigenschaften, Bioverträglichkeit und biologisch abbaubare 13, wases zu einer idealen Wahl für die Herstellung von SPMSs macht. SF existiert in drei polymorphen Formen, nämlich Seide I, II und III. Seide I ist eine wasserlösbare metastable Form, die hauptsächlich Helixe und Zufallspulen enthält. Seide II ist eine wasserunlösliche Form, die hauptsächlich antiparallele β-Blätter von kristallisierter Seide enthält; Und Seide III ist eine dreifache polyglycine II-Helikopterstruktur, die an der Wasser-Luft-Schnittstelle der Seidenlösung existiert. Ähnlich wie andere faserige Proteine hat SF immer wiederkehrende Einheiten von Aminosäure-Sequenzen. Der natürlich vorkommende SF eines Kokons besteht aus drei Haupthexapeptid-Domains solcher sich wiederholenden Einheiten (GAGAGX), während X A, S oder Y sein kann. Durch die Wasserstoffbindung stapeln sich die (GA) n Motive aus antiparallelen β-Blechstrukturen weiter durch van der Waals-Kräfte und bilden hydrophobe Nanokristallisationen14,15.

Die Bioverträglichkeit kann durch das Streben nach Antrieb mit natürlich vorkommenden Enzymen zur Erzeugung eines Konzentrationsgradienten oder Gasblasen in einem flüssigen Medium (Kraftstoff) weiter verbessert werden. So wird das Enzym Katalase in dieser Studie als “Motor” zur Erzeugung von Antrieb eingesetzt, wobei Wasserstoffperoxid als wässriges Brennmedium verwendet wird. Katalase ist ein Enzym, das in fast allen Lebewesen vorkommt. Sie katalysiert die Zersetzung von Wasserstoffperoxid (H2O2) in Wasserund Sauerstoff 16. Die Freisetzung von Sauerstoffblasen aus den Enzym-Seiten des SPMSs erzeugt eine Kraft auf das Objekt, wodurch es in die entgegengesetzte Richtungder Blasenfreigabe 5 (Abbildung1) vordringt.

Bei einem katalytisch angetriebenen SPMS führt die unterschiedliche Positionierung der katalytischen Seite zu einem unterschiedlichen Antriebsverhalten und zuFahrbahnen 1. Um effiziente Mikro-Rührer zu erzeugen, ist es daher notwendig, Rührwerke mit klar definierten geometrischen Formen und Motorpositionen herzustellen und die unterschiedlichen Kräfte des Motors zu vergleichen. Um diese Untersuchungen zu erleichtern, wird hier beschrieben, wie regenerierte Seidenfibroin SPMSs millimetergenau mit reaktivem Tintenstrahldruck (RIJ) hergestellt werden. Der Inkjet-Druck ist ein berührungsloses Verfahren zur Ablagerung von Materialien. Dadurch wird die Herstellung von kleinen komplexen Strukturen mit hoher Präzision bei der Herstellung verschiedener Formen einfach. RIJ erfolgt, wenn zwei oder mehr verschiedene Reaktionsmaterialien hinterlegt werden und auf das Substrat reagieren, um das gewünschte Produktmaterial herzustellen. Daher gibt SPMSs, die mit einem katalytischen Rührer-Gelände außerhalb der Mitte gedruckt werden, dem Objekt Asymmetrie, die zu einer Rotationsbewegung führt. Dieser Ansatz macht es auch einfach, Mikro-Rührwerke in einer Vielzahl von Formen und Konstruktionskonfigurationen zu fertigen, die durch computergestütztes Design (CAD) definiert sind, so dass eine einfachere und präzisere Steuerbarkeit der gewünschten Bewegung während der Praxis möglich ist. Anwendungen. Schließlich wird die Fähigkeit von Druckgeräten mit unterschiedlicher Dicke, die unterschiedliche Antriebseigenschaften aufweisen, demonstriert.

Diese Studie bietet eine Blaupause für die Herstellung von SPMSs mit RSF im Mikrometer-Skala. Der Einsatz der RIJ-Technologie zur Herstellung von RFS-Kreinern öffnet die Tür für die vielseitige Herstellung von Mikro-Rührern aus Materialien wie in situ hergestellten Gerüsten oder Hydrogelen, die sonst nicht abgelagert oder hergestellt werden können. Andere Mittel wie Verdunstung. Nach einer entsprechenden weiteren Funktionalisierung (z.B. Enzyme) können diese SPMSs für die Umweltsanierung 3 geeignet sein, wie zum Beispiel die Reinigung biologischer Giftstoffe, organischer Schadstoffe und chemischer undbiologischer Kampfmittel 4.

Protocol

CAUTION: Bitte konsultieren Sie vor der Verwendung von Wasserstoffperoxid, Natriumcarbonat, Ethanol, Kalziumchlorid und Methanol die entsprechenden Materialsicherheitsdatenblätter. Stellen Sie sicher, dass Sie alle geeigneten persönlichen Schutzausrüstungen tragen, einschließlich der technischen Steuerungen, während Sie Chemikalien, die in diesem Protokoll verwendet werden, behandeln. 1. Extraktion von Fibroin 5 g gereinigte Seidenkokons mit einer Schere in ~ 1 cm 2 kleine Stücke schneiden. 2 L deionisiertes (DI) Wasser in einem 2 L-Becher auf einer magnetischen Warmplatte unter einer Absaughaube kochen. 4,24 g Natriumkarbonat nach und nach und langsam in das kochende Wasser geben, um das Kochen zu vermeiden und mit Hilfe eines magnetischen Strichbalkens auflösen zu lassen. Warten Sie, bis die Lösung wieder zu kochen beginnt und fügen Sie die geschnittenen Stücke von Kokons in die Lösung. Achten Sie darauf, dass die gesamte Seide in die Lösung eingetaucht ist und halten Sie die Lösung unter ständigem Rühren für 90 min. Becher den Becher leicht mit Alufolie bedecken und mit vorgewärmtem DI-Wasser regelmäßig auffüllen, um den Wasserverlust durch Verdunstung wieder aufzufüllen. 2. Trocknung von Fibroin Entfernen Sie die extrahierten Faserfasern aus der Natriumkarbonat-Lösung mit einer Glasstange oder Spachtel und waschen Sie 3x mit 1 L vorgeheiztem DI-Wasser für jede Wäsche, wobei die Temperatur für jeden Waschschritt schrittweise verringert wird (ca. 60 ° C, 40 ° C, und Raumtemperatur, 25 ° C). Die Faserfasern auf einer 750 ml Borosilikatglas-Kristallschale verteilen und bei 60 ° C unter atmosphärischem Druck in einen Trockenofen geben und über Nacht trocknen lassen. Nach dem Trocknen die Faser in einem geschlossenen Behälter bei Raumtemperatur aufbewahren. 3. Auflösung von Fibroin Bereiten Sie eine ternäre Lösung (Ajisawa es Reagenz) mit 4,8 g DI-Wasser, 3,7 g Ethanol und 3,1 g Kalziumchlorid17vor. Legen Sie eine Zwei-Hals runde Bodenflasche (100 ml) in ein Wasserbad, das durch das Füllen einer 750 ml Borosilikatglas-Kristallschüssel mit 600 ml DI-Wasser auf einer magnetischen heißen Platte hergestellt wird. Legen Sie die ternäre Lösung in die Flasche. Legen Sie ein Thermometer in einen der Hälse, um die Lösungstemperatur genau zu überwachen. Den anderen Hals mit Aluminiumfolie bedecken, um das Austrocknen der Lösung durch Verdunstung zu verhindern (oder einen wassergekühlten Refluxkondensator verwenden). Die Lösung auf 80 ° C erhitzen.Hinweis: Achten Sie darauf, dass sich die Glühbirne des Thermometers in der Lösung befindet. Wenn die Temperatur der Lösung bei 80 ° C stabil ist, entfernen Sie die Aluminiumfolie und fügen Sie 1 g getrockneten Fibroin in die Lösung. Fügen Sie einen kleinen magnetischen Stange hinzu, um sicherzustellen, dass die Lösung während des Auflösungsprozesses gut gemischt wird. Den zweiten Hals nochmals mit Alufolie bedecken, um die Verdunstung zu minimieren, aber das System offen zu halten. 90 Minuten auflösen lassen. 4. Dialyse der Fibroin-Lösung Nach 90 Minuten Auflösung die Faserlösung 10 Minuten abkühlen lassen. Nehmen Sie ein 15 cm langes Dialyseböhrchen (molekulares Gewichtsabteil 12000 − 14000 kDa) und binden Sie einen Knoten an einem der beiden Enden. Waschen Sie es für ein paar Minuten mit laufendem DI-Wasser aus dem Wasserhahn. Öffnen Sie das andere Ende und gießen Sie die Fibroin-Lösung innen. Mit einer Metallklemme das andere Ende des Dialyseblauches schließen, um das Rohr so fest wie möglich zu schließen. Befestigen Sie eines der Enden des Dialysrohrs über eine Schraubkappe an eine leere 30 ml Kunststoff-Vial, damit das Dialyseböhrchen im Wasser schwimmen kann. Füllen Sie einen 2 L Becher mit 2 L DI-Wasser und legen Sie das Dialysebauch darin. Das Wasser in regelmäßigen Abständen wechseln. Überprüfen Sie die Leitfähigkeit des Wassers bei jedem Wechsel, um den Dialyseprozess zu verfolgen. Der Dialyseschritt endet, sobald die Leitfähigkeit des Wassers unter 10 μS/cm liegt.Hinweis: Dieser Prozess dauert in der Regel ca. 24 − 36 Stunden mit 5 Wasserwechseln. Nach Abschluss der Dialyse wird ein Ende des Dialyseblauches mit einer Schere durchtrennt und die Lösung in eine Serie von 1,5 ml Rohren gegossen. Dann Zentrifuge für 5 min bei 16.000 x g, um alle Partikel in der Fibroin-Lösung zu entfernen. Sammeln Sie den Supernatant in einer 30 ml Plastik-Vial und lagern Sie es bei 4 ° C. 5. Bestimmung der RF-Lösungskonzentration Eine saubere Glasscheibe (W 1)wiegen. 200 μL Seidenlösung (V1) hinzufügen. Lassen Sie die Glasscheibe im Ofen bei 60 ° C für 2 Stunden. Die Glasscheibe wieder abwägen (W 2). Berechnen Sie die Konzentration der Seidenlösung (w/v) nach folgender Formel: 6. Vorbereitung der Druckfarben Bereiten Sie Tinte A (Endvolumen 1,5 mL) vor, indem Sie die Fibroin-Lösung (40 mg/mL), Polyethylen-Glykol 400 (PEG400; 14 mg/mL) und deionisiertes Wasser für den Druck des Hauptkörpers der SPMSs mischen. Für den Druck der katalytischen Engine der SPMSs, Mix Fibroin (40 mg/mL), PEG400 (12 mg/mL), Katalase (6 mg/mL mit katalytischer Aktivität von & gt;20,000 units/mg) und deionisiertes Wasser, um 1,5 mL Tinte B zu machen. Bereiten Sie 1,5 ml Tinte C vor, indem Sie Coomassie brillantes Blau (0,05 mg/mL) in Methanol auflösen.Hinweis: Methanol wird verwendet, um die Faserzufallspulen in starre Betablätter umzuwandeln, indem die Tinte C auf der Tinte A oder Tinte B gedruckt wird. Coomassie brillantes Blau wird verwendet, um eine kontrastierende Farbe von SPMSs zu liefern, um die automatische Verfolgung der SPMSs während des Antriebs zu unterstützen. 7. Reaktiver Inkjet-3D-Druck Hinweis: Der Inkjet-Drucker, der in diesen Experimenten eingesetzt wird, basiert auf piezo betätigten Jetvorlagen mit Glasdüsen. Es gibt mehrere kommerziell erhältliche Tintenstrahldrucker für die Forschung, die diese Funktionen duplizieren können. Verwenden Sie Jeting-Geräte mit 80 μm Düsendurchmesser für den Druck der Farben auf einem Siliziumsubstrat, das auf der Bühne in einem Arbeitsabstand zwischen Düse und Si-Wafer-Substrat von ca. 5 mm platziert wird. Die geometrischen Formen der SPMSs werden digital als eine Reihe von Punkten von X-Y-Koordinaten in einer Tabellenkalkulationsdatei definiert.Hinweis: Der Drucker liest die Koordinaten seriell und führt den Drucker entsprechend aus. Jeder Koordinatenpunkt macht den Druckerstrahl einmal durch die Jetvorrichtung. Für die Farben A und B werden separate Tabellenkalkulationsdateien erstellt (siehe Ergänzungsdateien [SPMS Main Body.xlsx und SPMS Engine.xlsx]). Laden Sie die drei Farben (A, B und C) in drei Behälter (je 1,5 ml) und stellen Sie dann den Rückdruck mit dem Rückdruckventil für jeden einzelnen Kanal so ein, dass die Tinte nicht von den Jetvorlagen tropft.Achtung: Drei Jeting-Geräte auf unabhängigen Kanälen werden benötigt. Passen Sie die Jeting-Parameter (Anstiegszeit 1, Verweilzeit, Herbstzeit, Öko-Zeit, Aufstiegszeit 2, Leerlaufspannung, Verweilspannung, Echo-Spannung) für jeden Kanal an, um sicherzustellen, dass jede Tinteeine gute stabile Tröpfchenbildung ergibt (Abbildung 2).Hinweis: Diese Parameter sind Jeting-Gerät und Tinte-abhängig und müssen entsprechend angepasst werden. Drucken Sie die Seidenfaserfarbe Schicht für Schicht abwechselnd mit Methanol auf sauber polierten Si-Wafer-Substraten: Stufe 1, Druck von Tinte A (Hauptkörper); Stufe 2: Druck der Tinte C (Härtefarbe); 3. Stufe: Druck von Tinte B (Katalysatorfarbe für Motorstandorte); 4. Stufe: Druck der Tinte C (Härtefarbe); Stufe 5: Wiederholungsstufen 1-4 für gewünschte Schichten (z.B. 100).Hinweis: Zwei Beispielentwürfe für die 4 Stufen sind in Zusatzdateienenthalten; SPMS Main Body.xlsx wird für die Stufe 1 und die Stufe 2 verwendet, und SPMS Engine.xlsx wird für die Stufe 3 und die 4. Stufe verwendet. Drucken Sie zwei Chargen von Faser-SPMSs mit 200 Schichten bzw. 100 Schichten Dicke.Achtung: Der Katalase-Motor befindet sich seitlich an einem Ende eines jeden Rührers. So haben die Rührwerke einen Katalysator (siehe Abbildung 1 rote Region). Um die Proben von den Si-Wafern zu entfernen, tauchen Sie Proben in DI-Wasser ein und rüsten Sie sich sanft, bis die Loslösung eintritt. 8. Datenakquisitionskrämierung und Fahrbahnanalyse von selbstfahrenden Rührwerken Reinigen Sie eine gläserne Petrischale (9 cm Durchmesser) mit DI-Wasser, damit die Oberfläche staubfrei ist. Nach dem Reinigen und Trocknen 10 ml vorgefiltert (0,45 μm) 5% w/. H2O2 in die Petrischale geben und ablassen. Erleuchten Sie den Boden der Petrischale mit einer kühlen weißen Leuchtdioden-(LED) Lichtquelle und nutzen Sie eine Hochgeschwindigkeitskamera mit Makro-Zoomobjektiv, um die Bewegung von oben zu erfassen. Speichern Sie Videos als .avi-Dateien.Hinweis: Siehe Materialliste für Details der verwendeten Geräte. Die bedruckten Seidenrührer 10 Minuten waschen, indem sie in DI-Wasser getaucht werden, um ungebundene PEG400zu entfernen. Nehmen Sie vorsichtig einen gewaschenen Rührer mit der Spitze einer sterilen Spritzennadel und legen Sie ihn in die Mitte der Petrischale. Wenn der gewaschene Rührer den H2O2 Brennstoff berührt, bilden sich Blasen um den Motor herum und es wird eine kreisförmige Bewegung des Rührers beobachtet. Wenn das System stabil erscheint (in der Regel 10 − 30 s später), drücken Sie die Aufzeichnung in der Aufzeichnungssoftware, um das Video zu erfassen. Führen Sie die Verfolgung der Mikro-Rührwerke von Frame-by-Frame-Basis durch, indem Sie jedes Ende der Rührwerke verfolgen, wie es in denPunkten A und B in Abbildung 3 angegeben ist.Hinweis: Dies kann manuell oder mit Hilfe von Tracking-Software erfolgen. Berechnen Sie aus den gewonnenen Tracking-Daten die momentane Geschwindigkeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Frames (z. B. 1 und 2), wobei die Gleichung unter und im Durchschnitt die resultierenden Geschwindigkeiten aus der gesamten Sequenz verwendet werden, um die mittlere momentane Geschwindigkeit zu erhalten. Im weiteren Sinne wird der Orientierungswinkel berechnet. Dann verwenden Sie die Veränderungsrate der Umdrehungsgeschwindigkeit, um die Rotationsgeschwindigkeit zu bestimmen (Abbildung 3).Hinweis: Bei der Berechnung von Augengeschwindigkeiten aus verfolgten Bilddaten ist es wichtig, dass das Anfangsbild eines Objekts mit bekannten Abmessungen genommen wird, um korrekte Pixel auf Mikrometerwerte berechnen zu können. Diese Werte hängen von der verwendeten Kamera, dem Objektiv und der Entfernung ab. Je nach Art des gedruckten Teilchens wählen Sie verschiedene Tracking-Punkte für die Berechnung der Geschwindigkeit. Zum Beispiel werden hier die Tracking-Punkte A, B und C (Zentrum der Masse) verwendet, um die momentanen Geschwindigkeiten zu bestimmen (Abbildung3). 9. Charakterisierung von SPMSs durch SEM Entfernen Sie ungenutzte und gebrauchte SPMSs aus der Si-Wafer-oder Schüttgutlösung und übertragen Sie sie auf 10 mm breite Carbonklebepolster, die auf Aluminium-Scan-Elektronen-Mikroskopie (SEM)-Stuben montiert sind. Trocknen Sie die Proben in einem Trockenofen 10 min bei 60 ° C. Laden Sie die Probenstuben auf die Sputterbeschichtungsstufe. Sputterbeschichtung (Argon-Plasma bei 0,05 Torr) 50 – 100 nm Gold auf die Proben, was eine homogene Goldoberfläche der Probe gewährleistet. Entfernen Sie die Probenstuben aus dem Sputterlackierer und Bild in einem SEM unter Vakuum bei 5,0 kV.NOTE: Sehr hohe Beschleunigungsspannungen können die Seide verbrennen und zu falschen Merkmalen führen.

Representative Results

Nach dem Kochen der Seide wird erwartet, dass die getrockneten Fasern rund ein Drittel leichter sind als zuvor, was auf die erfolgreiche Entfernung von Sericin hindeutet. Bei der Auflösung der Seide in Ajisawa es Reagenz sollten die Fasern vollständig aufgelöst und eine gelbe viskose Flüssigkeit geborgen werden. Nach der Dialyse sollte die Seidenlösung weniger zäh sein, aber dennoch eine leicht gelbe Farbe aufweisen. Wenn sich die Seide in Gel verwandelt hat, deutet dies darauf hin, dass die Auflösung nicht erfolgreich durchgeführt wurde. Stabile Tröpfchen, die aus den Jetvorlagen gebildet werden, ermöglichen eine höhere Definition der gedruckten Proben. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein stabiles Einzeltropfen, um gute Druckergebnisse zu liefern, wie die bedruckten Seidenrührer in Abbildung4. Es ist normal, je nachdem, wie viskose die Tinte ist, dass die Ausbreitung auf dem Substrat stattfindet. Je nach eingesetzten Tintenstrahldruckern und der Tröpfchengröße muss der Abstand zwischen den einzelnen bedruckten Tröpfchen so angepasst werden, dass sie sich überschneiden, um angeschlossene Linien zu erzeugen. Liegen die Tröpfchen zu weit auseinander, zerbricht die gedruckte Struktur. Darüber hinaus besteht die Chance, dass die Mikro-Rührwerke in Kraftstofflösung zerbrechen, wenn nicht genügend Schichten gedruckt werden. Sobald die Rührwerke aus dem Substrat entfernt und gewaschen wurden, sollte es sofort zu Blasen kommen. Die Erfolgsquote einer guten Blasenfreigabe hängt stark von der Enzymaktivität ab; Wenn die Enzymaktivität gering ist, bilden sich weniger Blasen, was zu schlechten Antriebsergebnissen führt. Abbildung 5 zeigt, wie sich die Oberflächenmorphologie der Rührwerke verändert, da die Blasen aus den inneren Strukturen freigesetzt werden, die kleine Poren erzeugen. Ein erfolgreicher Micro-Rührer sieht ähnlich aus wie in Abbildung 6 und den beiden Ergänzungsvideos S1 und S2 . Abbildung 6 zeigt noch Videobilder von zwei repräsentativen, 100-layer (Abbildung 6A) und 200-layer (Abbildung 6B) Mikro-Rührern in 5% H2O2 Kraftstoff. Die roten und grünen Linien zeigen die verfolgten Flugbahnen an (siehe Ergänzungsvideos S1 und S2). Die Rotationsgeschwindigkeit lässt sich durch die Orientierungsrate (ɸ, Abbildung 3) bestimmen, wiein Abbildung7 dargestellt. Der Vergleich von 100-Schicht-Katalase und 200-Schicht-Kalase gedopten Mikro-Rührwerken zeigt einen deutlichen Anstieg der Rotationsgeschwindigkeit von ~ 0,6 Falten von 60 ± 6 U/min auf 100 ± 10 U/min (Abbildung 7). Abbildung 1: Schematische Darstellung des katalytischen Abbruchs von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff durch Katalase, die in das Gerüst des Rührers an den gewünschten Stellen eingebettet ist (rot). Das Produkt Sauerstoffblasen sorgt für den nötigen Antrieb für den Rührwerk. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 2: Die Zeitraffer-Bilder der Tröpfchenbildung von RSF aus einer Jetvorrichtung (Düsendurchmesser 80 μm). Die Zahlen unter den Bildern stellen die verstrichene Zeit dar, in Mikrosekunden (μs), seit der Einweihung des Jetts der Seidenfarbe Tropfen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 3: Schematische Darstellung der Partikelverfolgung über zwei aufeinanderfolgende Rahmen. A und B zeigen Tracking-Punkte und C das Zentrum der Masse an. Der Orientierungswinkel gibt an. Die SPMS-Flugtrichtung wird durch den gebogenen schwarzen Pfeil angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 4: Leichtes Mikrogramm eines frisch RIJ-gedruckten Mikro-Rührers (100 Lagen) vor dem Waschen. Rote Box bezeichnet Katalase-gedokte Region (Motorenregion). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 5: SEM-Bilder des Hauptkörpers und des Katalase-Motors Teil eines SPMS, nachdem die Poren durch Blasenfreigabe gebildet wurden. Poren sind auf der Motoroberfläche in den SEM-Bildern der SPMSs, die aus der Sauerstoffblase-Freisetzung stammen, deutlich zu erkennen. A) Seidenmikro-Rührwerke vor der Exposition bei 5% w/V H2 O2 Kraftstofflösung. (B) SeidenSPMS nach der Exposition von 5% w/VH 2 O2 Kraftstofflösung. Bilder rechts sind Erweiterungen der roten Regionen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 6: Videobilder von zwei Mikro-Rührern in 5% Brennstofflösung, die die Flugbahn im Laufe der Zeit anzeigen. (A) 100-Schicht-Mikro-Rührwerke. (B) 200-Schicht-Mikro-Rührwerke. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 7: Vergleich des Orientierungswinkels () für 100-Schicht (60 ± 6 U/min) und 200-Schicht (100 ± 10 U/min) Mikro-Rührwerke. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Ergänzende Video S1: Repräsentativer 100-Schicht-selbst-motistiger Mikro-Rührer in 5% w/V H 2 O 2 In Gang gesetzt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen. Ergänzende Video S2: Repräsentativer 200-Schicht-selbst-motistiler Mikro-Rührer in 5% w/V H 2 O 2 In Gang gesetzt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Discussion

Ein wesentliches Merkmal von SPMSs, die in diesem Protokoll produziert werden, ist die Fähigkeit, verschiedene Formen und Strukturen schnell und einfach zu gestalten, indem man RIJ aus Seide, die mit Enzymen wie Katalen dotiert sind, entwickelt und eine chemisch getriebeneBewegungüber den Blasenantrieb 5 erreicht. Zusammen mit der hohen Biokompatibilität 18 dieser Rührwerke sind sie sowohl für zukünftige Anwendungen sowohl für die Wassersanierung als auch für Labor-on-a-Chip-Anwendungen für medizinische Diagnosegeräte sehr wünschenswert.

Hier zeigt sich die Antriebsfähigkeit durch die Verwendung eines einfachen Liniendesigns mit einem seitlich bedruckten Motorenteil, wie in Abbildung1 gezeigt. Die roten Punkte stellen die katalytisch aktiven katalase-dotierten Motorenteile dar und die blauen Punkte stellen die inaktiven Teile dar. Um 3D-Formen über RIJ erzeugen zu können, ist es notwendig, mehrere Schichten zu drucken, um eine z-Achsen-Höhe zu erzeugen. Hier waren die Anzahl der auf einem Si-Wafer deponierten Schichten 100 und 200. Durch die Variation der Anzahl der Schichten kann ein Unterschied in der Antriebsgeschwindigkeit/Rotation gefunden werden, vergleichbar mit der Ablagerung des Doppelten des Materials. Um beim Inkjet-Druck klar definierte Strukturen zu haben, ist es wichtig, dass die richtigen Jeting-Parameter ausgewählt werden, um ein klar definiertes Tröpfchen zu erreichen, wie in Abbildung 2 dargestellt. Diese Parameter variieren je nach verwendetem Tinte und den Jetvorlagen. Wenn die Tinte keine stabilen Tröpfchen produziert, dann ist die Tinte höchstwahrscheinlich nicht mehr zum Drucken geeignet und beginnt sich höchstwahrscheinlich in Gel zu verwandeln. Es ist wichtig zu beachten, dass die Auflösungsgrenze stark von der Größe der verwendeten Düse abhängt, und kleinere Düsen ermöglichen eine höhere Auflösung und kleinere Strukturpartikel, die gedruckt werden.

Ein Beispiel für RIJ-gedruckte Seidenrührer ist in Abbildung 4 zu sehen, wo das katalasedgedochte Motorteil (wie durch den rot markierten Bereich angegeben) an der Seite des Hauptkörpers angebracht ist (siehe auch das Schema in Abbildung 1 für Details). Das bedruckte Seidengerüst ist ein Material, das es ermöglicht, dass die Brennstofflösung über die gesamte 3D-Struktur diffundiert, und so entstehen Sauerstoffblasen beim Abbau von Wasserstoffperoxid via Katalase. Die freigesetzten Sauerstoffblasen erzeugen in der Seidengerüststruktur Anstiere in Mikron-Maßstab, wie man durch den Vergleich der SEM-Mikrographen vor der Exposition mit H2O 2-Kraftstoff (Abbildung5A) und nach H2 O 2-Exposition sehen kann ( Abbildung 5B). Um sicherzustellen, dass die Bewegung auf die Zersetzung von H2O2-Kraftstoff zurückzuführen ist, nicht aber auf Oberflächenspannung, die durch die Freisetzung von PEG 400 angetrieben wird, ist es wichtig, dass Rührwerke zunächst für einen Zeitraum von mindestens 10 Minuten in Wasser eingetaucht und in DIgetestetwerden. Wasser für die Oberflächenspannung Bewegung vor dem Antrieb in der Kraftstofflösung.

Die Verwendung von PEG400 ermöglicht eine bessere Freisetzung von Blasen von der Seidenoberfläche19 , wie zuvor von Gregory et al. 5 erläutert. Zuvor beschrieben20. Dieser zweite Mechanismus gibt auch die Möglichkeit, SPMSs mit zwei Mechanismen zu produzieren, die zeitlich abhängig sind und für bestimmte Anwendungen von Vorteil sein können, die zum Beispiel zu Beginn eine starke Rührung erwarten würden, gefolgt von einer langsameren Fortsetzung. Rühren über längere Zeiträume 20.

Abschließend möchte ich sagen, dass durch den Einsatz von RIJ autonome, selbstfahrende Geräte einfach gestaltet und bedruckt werden können. Seide als Basismaterial für die Geräte bietet die Möglichkeit, Enzyme und andere Moieties einfach in die Strukturen einzukapseln, was die Möglichkeit gibt, diesen Geräten Funktionen hinzuzufügen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren möchten die Unterstützung des EPSRC über X. anerkennen. Zhao es reaktiver Inkjet-Druck von Seidenwerkstoffpreisen (EP/N007174/1 und EP/N023579/1), S. J. Ebbens Career Acceleration Fellowship und Healthcare Technology Impact Fellowship (EP/J002402/ 1 und EP/N033736/1). Die Autoren danken auch Dr. Qingyou Xia vom State Key Laboratory of Silkworm Genome Biology, Southwest University, China für die Bereitstellung von Seidencocoons.

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