MicroFab噴墨打印技術(shù)在生物相容性酶動(dòng)力絲材納米火箭制備中的應(yīng)用

常州大學(xué)藥學(xué)院招秀伯教授與謝菲爾德大學(xué)化學(xué)與生物工程系Stephen J.Ebbens教授合作運(yùn)用RIJ噴墨打印技術(shù)，使用MicroFab的按需噴墨打印系統(tǒng)Jetlab®，交替打印絲素蛋白、過氧化氫酶和PEG混合的油墨，從而制備可以快速移動(dòng)的氣泡推進(jìn)納米火箭（結(jié)構(gòu)直徑約100μm），由于大量的材料（如藥物、酶和抗體）可以封裝在納米火箭中，對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)和修復(fù)，體內(nèi)藥物輸送和修復(fù)，芯片診斷等方面都有著廣泛應(yīng)用潛力。

介紹

在過去的十年中，通過流體環(huán)境中的催化反應(yīng)自動(dòng)產(chǎn)生推力的小型裝置的制備已成為一個(gè)日益活躍的研究領(lǐng)域。噴墨打印作為其中的制備方法之一，具有液滴大小可控、產(chǎn)生頻率高、重復(fù)性好等特點(diǎn)，被用于研究“納米火箭”設(shè)備的制備。

SF由于其優(yōu)異的機(jī)械性能、良好的的生物相容性、生物易降解性和易于加工等特點(diǎn)，被許多生物醫(yī)學(xué)研究應(yīng)用。常州大學(xué)招教授與謝菲爾德大學(xué)Stephen J.Ebbens教授首次提出通過將含絲素蛋白（SF）墨水與過氧化氫酶混合，可以產(chǎn)生快速移動(dòng)的氣泡推進(jìn)納米火箭，使用酶代替常規(guī)的催化鉑顆粒可改善其生物相容性。SF有三種不同的構(gòu)象，Silk I是水溶性的（無(wú)規(guī)卷曲），Silk II是由β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)（紡絲狀態(tài)）組成的狀態(tài)，Silke III是由螺旋結(jié)構(gòu)組成的空氣/水組裝界面絲。將Silk I暴露于甲醇或氯化鉀、熱或剪應(yīng)力等化學(xué)物質(zhì)中，可將其轉(zhuǎn)化為β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)（Silk II)，這一現(xiàn)象已被廣泛用于制造不同生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的絲支架。

實(shí)驗(yàn)中利用了噴墨打印逐層交替打印直接制造不同的形狀和可控3D結(jié)構(gòu)，以改變納米火箭軌跡行為。圖1a顯示了通過RIJ數(shù)字制造納米火箭的過程，使用配備Jetlab®軟件的MicroFab “Drop on Demand” 噴墨打印機(jī)和四個(gè)單噴嘴打印頭（直徑60μm）打印具有標(biāo)稱均勻、單液滴直徑的桿狀納米火箭。圖1b-e顯示了納米火箭結(jié)構(gòu)的SEM圖像和FITC熒光顯微鏡圖像顯示納米火箭內(nèi)的酶分布，全活性火箭的酶分布均勻（圖1f），而Janus火箭的熒光標(biāo)記酶僅在下半部觀察到（圖1g）。

▲ 圖1

在樣品制備完成后，為了確定全活性和Janus納米火箭的有效性，將其放入含有5%wt/V過氧化氫的水溶液中，觀察其運(yùn)動(dòng)結(jié)果。為了進(jìn)一步分析這些納米火箭的定向性能，對(duì)每個(gè)視頻幀手動(dòng)跟蹤給定設(shè)備前后點(diǎn)的x和y坐標(biāo)，比較裝置的定向角（φ）和隨后的行駛方向角（θ）之間的相關(guān)性程度。對(duì)兩種不同打印結(jié)構(gòu)的納米火箭的20條軌跡進(jìn)行的類似分析證實(shí)，Janus納米火箭的裝置方向和運(yùn)動(dòng)方向之間的相關(guān)性很強(qiáng)，而全主動(dòng)納米火箭的相關(guān)性很弱，結(jié)果清楚地表明，能夠使用噴墨打印方法來控制催化劑在裝置內(nèi)的分布，可以輕松控制特定納米火箭應(yīng)用的彈道，尤其是與形狀修改相結(jié)合時(shí)。

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▲ 圖2 全活性和Janus納米火箭在5%wt/V過氧化氫水溶液中的靜止視頻幀圖和軌跡的相關(guān)研究

結(jié)論

運(yùn)用RIJ噴墨打印方法，展示了一種基于絲素蛋白、過氧化氫酶和PEG交替形成的酶動(dòng)力絲材納米火箭的新方法，該結(jié)構(gòu)允許催化劑的分布隨意變化，與活性均勻的火箭相比，催化劑分布不對(duì)稱的火箭由于隨機(jī)氣泡的釋放，產(chǎn)生更快的定向運(yùn)動(dòng)，由于大量的材料（如藥物、酶和抗體）可以封裝在納米火箭中，對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)和修復(fù)，體內(nèi)藥物輸送和修復(fù)，芯片診斷等方面都有著廣泛應(yīng)用潛力。

資料來源：[1] Gregory D A ,  Zhang Y ,  Smith P J , et al. Reactive Inkjet Printing of Biocompatible Enzyme Powered Silk Micro‐Rockets[J]. Small, 2016.