常州大學藥學院招秀伯教授與謝菲爾德大學化學與生物工程系Stephen J.Ebbens教授合作運用RIJ噴墨打印技術，使用MicroFab的按需噴墨打印系統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的氣泡推進納米火箭（結構直徑約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，對于環境監測和修復，體內藥物輸送和修復，芯片診斷等方面都有著廣泛應用潛力。

介紹

在過去的十年中，通過流體環境中的催化反應自動產生推力的小型裝置的制備已成為一個日益活躍的研究領域。噴墨打印作為其中的制備方法之一，具有液滴大小可控、產生頻率高、重復性好等特點，被用于研究“納米火箭”設備的制備。

SF由于其優異的機械性能、良好的的生物相容性、生物易降解性和易于加工等特點，被許多生物醫學研究應用。常州大學招教授與謝菲爾德大學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，可以產生快速移動的氣泡推進納米火箭，使用酶代替常規的催化鉑顆粒可改善其生物相容性。SF有三種不同的構象，Silk I是水溶性的（無規卷曲），Silk II是由β-折疊二級結構（紡絲狀態）組成的狀態，Silke III是由螺旋結構組成的空氣/水組裝界面絲。將Silk I暴露于甲醇或氯化鉀、熱或剪應力等化學物質中，可將其轉化為β-折疊二級結構（Silk II)，這一現象已被廣泛用于制造不同生物醫學應用的絲支架。

實驗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結構，以改變納米火箭軌跡行為。圖1a顯示了通過RIJ數字制造納米火箭的過程，使用配備Jetlab®軟件的MicroFab “Drop on Demand” 噴墨打印機和四個單噴嘴打印頭（直徑60μm）打印具有標稱均勻、單液滴直徑的桿狀納米火箭。圖1b-e顯示了納米火箭結構的SEM圖像和FITC熒光顯微鏡圖像顯示納米火箭內的酶分布，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，觀察其運動結果。為了進一步分析這些納米火箭的定向性能，對每個視頻幀手動跟蹤給定設備前后點的x和y坐標，比較裝置的定向角（φ）和隨后的行駛方向角（θ）之間的相關性程度。對兩種不同打印結構的納米火箭的20條軌跡進行的類似分析證實，Janus納米火箭的裝置方向和運動方向之間的相關性很強，而全主動納米火箭的相關性很弱，結果清楚地表明，能夠使用噴墨打印方法來控制催化劑在裝置內的分布，可以輕松控制特定納米火箭應用的彈道，尤其是與形狀修改相結合時。

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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研究

結論

運用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交替形成的酶動力絲材納米火箭的新方法，該結構允許催化劑的分布隨意變化，與活性均勻的火箭相比，催化劑分布不對稱的火箭由于隨機氣泡的釋放，產生更快的定向運動，由于大量的材料（如藥物、酶和抗體）可以封裝在納米火箭中，對于環境監測和修復，體內藥物輸送和修復，芯片診斷等方面都有著廣泛應用潛力。

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.