シルクベース自走式マイクロスターラーの反応性インクジェット印刷と推進力解析

注意:過酸化水素、炭酸ナトリウム、エタノール、塩化カルシウム、メタノールの使用前には、関連する材料安全シートを参照してください。このプロトコルで使用される化学物質を処理しながら、エンジニアリング制御を含むすべての適切な個人保護具を着用することを保証します。 1. フィブロインの抽出 5 g の洗浄された絹の繭を、はさみを使って約 1cm2の小片に切ります。 抽出フードの下にある磁気ホットプレート上の 2 L ビーカーに脱イオン (DI) 水を 2 l 沸騰させます。 沸騰を避けるために徐々に沸騰した水の中にゆっくりとして炭酸ナトリウムの 4.24 g を追加し、それが磁気攪拌バーの助けを借りて溶解させます。 溶液が再び沸騰を開始し、溶液に繭の小片を追加するまで待ちます。すべての絹が溶液に沈められていることを確認し、90分間一定の攪拌の下で溶液を沸騰させ続けます。ビーカーをアルミホイルで軽く覆い、蒸発による水の損失を補充するために定期的に予熱した DI 水で覆う。 2. フィブロインの乾燥 抽出されたフィブロイン繊維を、ガラス棒またはスパチュラで炭酸ナトリウム溶液から取り出し、各洗浄のために予熱した DI 水の 1 L で3x 洗浄し、洗浄工程ごとに徐々に温度を下げる (約60° c、40° c、室温、25° C)。 フィブロイン繊維を 750 mL ホウケイ酸ガラス結晶化ディッシュに広げ、60° c で大気圧下で乾燥炉に入れ、一晩乾燥させておきます。一旦乾燥させたら、フィブロインを室温で密閉容器に保管する。 3. フィブロインの溶解 4.8 g の DI 水を含有する三元溶液 (Ajisawa 試薬)、3.7 g のエタノール、および 3.1 g の塩化カルシウム17を調製した。 750 mL のホウケイ酸ガラスを結晶化ディッシュに 600 mL の DI 水で充填し、磁気ホットプレートの上に、2ネックの丸底フラスコ (100 mL) を水浴中に入れます。三元溶液をフラスコ内に置きます。 1つのネックに温度計を配置して、溶液の温度を正確に監視します。他のネックをアルミホイルで覆い、蒸発による溶液の乾燥を防ぎます (または水冷還流凝縮器を使用)。溶液を80° c に加熱します。注: 温度計の電球が溶液の中にあることを確認してください。 溶液の温度が80° c で安定している場合、アルミニウム箔を取り出し、1 g の乾燥フィブロインを溶液に加える。小さな磁気攪拌バーを追加して、溶解プロセス全体を通して溶液がよく混ざり合っていることを確認します。蒸発を最小限に抑え、システムを開いたままにするために、アルミニウム箔で再び第2の首をカバーします。90分間溶解したままにします。 4. フィブロイン溶液の透析 溶解の90分後、フィブロイン溶液を10分間放置して室温まで冷ました。 1 15 センチメートルの長い透析チューブ (分子量カットオフ12000− 14000 kDa) を取り、2つの端のいずれかに結び目を結びます。蛇口から DI 水を流しながら数分間洗ってください。 もう一方の端を開き、フィブロイン溶液を内部に注ぐ。金属クランプを使用して、透析チューブの他端を閉じて、チューブができるだけきつく閉じていることを確認します。透析チューブを水の中に浮遊させるために、ネジキャップを使ってチューブの両端を空の 30 mL のプラスチックバイアルに取り付けます。 2 l ビーカーに DI 水 2 L を入れ、透析チューブをその中に入れます。一定の間隔で水を変えてください。透析プロセスに従うように変更されるたびに水の導電率を確認してください。透析ステップは、水の伝導率が10μ s/cm 未満になると終了します。注: このプロセスは通常約24−36時間かかり、5つの水の変化があります。 透析が完了したら、透析チューブの一端をはさみで切り、溶液を一連の 1.5 mL チューブに注ぎます。次いで、16000 x gで5分間遠心分離し、フィブロイン溶液中の任意の粒子を除去した。30 mL のプラスチックバイアルで上清を収集し、4° c で保存します。 5. RSF 溶液濃度の測定 きれいなガラススライド (W1) の重量を量る。200μ l のシルク溶液 (V1) を加えます。 ガラスのスライドは、オーブンで2時間60° c のままにしてください。 ガラススライドをもう一度計量します (W2)。 次の式を使用して、シルク溶液 (w/v) の濃度を計算します。 6. 印刷用インキの製造 フィブロイン溶液 (40 mg/mL)、ポリエチレングリコール 400 (PEG400; 14 Mg/ml) と SPMSs の本体を印刷する脱イオン水とを混合することにより、インク A (最終体積 1.5 mL) を調製する。 SPMSs の触媒エンジンを印刷するために、フィブロインを混合する (40 mg/mL)、PEG400 (12 Mg/ml)、カタラーゼ (6 Mg/ml > 20000 単位/mg) および脱イオン水を用いて、インク B の 1.5 mL を作る。 クマシーブリリアントブルー (0.05 mg/mL) をメタノールに溶解して 1.5 mL のインク C を調製した。注: インク A またはインク B の上にインク C を印刷することによって、フィブロインをランダムコイルから硬質ベータシートに変換するために使用されます。クマシーブリリアントブルーは、推進中の SPMSs の自動追跡を支援するために SPMSs の対照的な色を提供するために使用されます。 7. 反応性インクジェット3D 印刷 注: これらの実験で使用されるインクジェット・プリンターは、ガラスノズルを備えたピエゾ作動型噴射装置に基づいています。これらの機能を複製することができる研究のためのいくつかの市販のインクジェットプリンタがあります。 ノズルと、約5mm の Si ウエハ基板との間の作動距離でステージ上に配置されたシリコン基板上にインクを印刷するための80μ m ノズル直径のジェッティング装置を使用します。SPMSs の幾何学的形状は、スプレッドシートファイル内の X-y 座標の一連のポイントとしてデジタル定義されています。注: プリンタは座標を連続して読み取り、それに応じてプリンタを実行します。各座標点によって、プリンタはジェッティングデバイスを一度に噴射します。インク A および B 用に個別のスプレッドシートファイルが作成されています (補足ファイル[SPMS のメインボディを参照してください。 XLSX と SPMS エンジン. xlsx])。 3つのインク (A、B、および C) を3つの貯留槽 (それぞれ 1.5 mL) にロードしてから、個々のチャンネルごとに背圧バルブを使用して背圧を調整し、噴射装置からインクが垂れていないことを確認します。注: 独立したチャネルに3つのジェッティング装置が必要です。 各チャンネルの噴射パラメータ (立ち上がり時間1、滞留時間、落下時間、eco 時間、立ち上がり時間2、アイドル電圧、滞留電圧、エコー電圧) を調整して、各インクが安定した液滴形成を確実にするようにします (図 2)。注: これらのパラメータは、噴出装置とインクに依存し、それに応じて調整する必要があります。 きれいな研磨された Si-ウエハ基材にメタノールと交互に積層した絹フィブロインインクを印刷する: ステージ1、インク A (本体) の印刷。ステージ 2: インク C (硬化インキ) の印刷。ステージ 3: インク B の印刷 (エンジンのサイトのための触媒インク);ステージ 4: インク C (硬化インキ) の印刷。ステージ 5: 必要なレイヤーについてステージ1-4 を繰り返します (例えば、100)。注: 4 段階の2つの計画の例は、補足ファイルに含まれています。SPMS 本体。 xlsx はステージ1とステージ2、および SPMS エンジンに使用されます。 xlsx は、ステージ3およびステージ4に使用されます。 フィブロイン SPMSs の2つのバッチをそれぞれ200層および100層厚で印刷する。注: カタラーゼエンジンは、各攪拌機の一端の側に位置しています。したがって、スターラーは1つの触媒エンジンを有する (図 1赤色領域を参照のこと)。 Si-ウェーハからサンプルを除去するには、サンプルを DI 水に浸し、剥離が起こるまで優しく攪拌します。 自走式スターラーのデータ集録/トラッキングと軌道解析 ガラスペトリ皿 (直径 9cm) を DI 水で拭き、表面がほこりを含まないことを確認します。 一旦清潔で乾燥したら、10 mL の事前濾過 (0.45 μ m) 5% w/vh2o- 2 をペトリ皿に入れ、沈殿させておく。クールな白色発光ダイオード (LED) 光源でペトリ皿の底を照らし、上からモーションをキャプチャするためにマクロズームレンズ付きの高速カメラを使用します。Avi ファイルとしてビデオを保存します。注: 使用する機器の詳細については、資料表を参照してください。 印刷された絹のスターラーを、沈めるの DI 水に入れて10分間洗浄し、未結合の PEG400を取り除きます。慎重に滅菌注射針の先端に1つの洗浄攪拌機を取り、ペトリ皿の中央に置きます。洗浄された撹拌機がh2 o2燃料に触れると、エンジンのまわりで形成が始まる気泡と攪拌機の円運動が観察される。システムが安定して表示されたら (通常は10−30秒後)、録画ソフトウェアのレコードを押して、ビデオのキャプチャを開始します。 フレーム単位でマイクロスターラーのトラッキングを行い、図 3の点 a および B で示されるように、攪拌機の各端部を追跡する。注: これは手動でまたは追跡ソフトウェアの助けを借りて行うことができます。 得られたトラッキングデータから、次の式を用いて2つの連続したフレーム (例えば1および 2) 間の瞬間速度を計算し、結果として得られた速度をシーケンス全体から平均瞬間速度を得る。 さらにこれには、方位φの角度を算出する。次に、φの変化率を使用して回転速度を決定します (図 3)。注: トラッキングされた画像データから瞬間的な速度を計算する場合は、既知の寸法を持つオブジェクトの初期イメージが、マイクロメータの値に対して正しいピクセルを計算できるようにすることが重要です。これらの値は、カメラ、目的、使用距離によって異なります。印刷されるパーティクルのタイプに応じて、ベロシティーを計算するための異なるトラッキングポイントを選択します。たとえば、ここでは、トラッキングポイント A、B、C (重心) はすべて、瞬間的な速度を決定するために使用されます (図 3)。 9. SEM による SPMSs の特徴付け SPMSs またはバルク溶液から使用していない未使用のものを取り除き、アルミスキャン電子顕微鏡 (SEM) スタブに取り付けられた 10 mm 幅のカーボン粘着パッドに転写します。乾燥炉でサンプルを60° c で10分間乾燥させます。 スパッタリングコータステージにサンプルスタブをロードします。スパッタコーティング (0.05 トールでのアルゴンプラズマ) 50 〜 100 nm の金をサンプルに、試料の均質な金表面被覆を確保する。 スパッタリングコータからサンプルスタブを取り出し、真空下で 5.0 kV の SEM で画像を撮影します。注: 非常に高い加速電圧は絹を燃やし、偽の特徴を生み出すことができます。