常州大学药学院招秀伯教授与谢菲尔德大学化学与生物工程系Stephen J.Ebbens教授合作运用RIJ喷墨打印技术，使用MicroFab的按需喷墨打印系统Jetlab®，交替打印丝素蛋白、过氧化氢酶和PEG混合的油墨，从而制备可以快速移动的气泡推进纳米火箭（结构直径约100μm），由于大量的材料（如药物、酶和抗体）可以封装在纳米火箭中，对于环境监测和修复，体内药物输送和修复，芯片诊断等方面都有着广泛应用潜力。
介绍
在过去的十年中，通过流体环境中的催化反应自动产生推力的小型装置的制备已成为一个日益活跃的研究领域。喷墨打印作为其中的制备方法之一，具有液滴大小可控、产生频率高、重复性好等特点，被用于研究“纳米火箭”设备的制备。
SF由于其优异的机械性能、良好的的生物相容性、生物易降解性和易于加工等特点，被许多生物医学研究应用。常州大学招教授与谢菲尔德大学Stephen J.Ebbens教授首次提出通过将含丝素蛋白（SF）墨水与过氧化氢酶混合，可以产生快速移动的气泡推进纳米火箭，使用酶代替常规的催化铂颗粒可改善其生物相容性。SF有三种不同的构象，Silk I是水溶性的（无规卷曲），Silk II是由β-折叠二级结构（纺丝状态）组成的状态，Silke III是由螺旋结构组成的空气/水组装界面丝。将Silk I暴露于甲醇或氯化钾、热或剪应力等化学物质中，可将其转化为β-折叠二级结构（Silk II)，这一现象已被广泛用于制造不同生物医学应用的丝支架。
实验中利用了喷墨打印逐层交替打印直接制造不同的形状和可控3D结构，以改变纳米火箭轨迹行为。图1a显示了通过RIJ数字制造纳米火箭的过程，使用配备Jetlab®软件的MicroFab “Drop on Demand” 喷墨打印机和四个单喷嘴打印头（直径60μm）打印具有标称均匀、单液滴直径的杆状纳米火箭。图1b-e显示了纳米火箭结构的SEM图像和FITC荧光显微镜图像显示纳米火箭内的酶分布，全活性火箭的酶分布均匀（图1f），而Janus火箭的荧光标记酶仅在下半部观察到（图1g）。
▲ 图1
在样品制备完成后，为了确定全活性和Janus纳米火箭的有效性，将其放入含有5%wt/V过氧化氢的水溶液中，观察其运动结果。为了进一步分析这些纳米火箭的定向性能，对每个视频帧手动跟踪给定设备前后点的x和y坐标，比较装置的定向角（φ）和随后的行驶方向角（θ）之间的相关性程度。对两种不同打印结构的纳米火箭的20条轨迹进行的类似分析证实，Janus纳米火箭的装置方向和运动方向之间的相关性很强，而全主动纳米火箭的相关性很弱，结果清楚地表明，能够使用喷墨打印方法来控制催化剂在装置内的分布，可以轻松控制特定纳米火箭应用的弹道，尤其是与形状修改相结合时。
▲ 图2 全活性和Janus纳米火箭在5%wt/V过氧化氢水溶液中的静止视频帧图和轨迹的相关研究
RIJ纳米火箭使用酶而不是铂催化剂，将其放置在人体血清溶液中也可产生快速运动，而无需添加表面活性剂添加剂。
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图3为全活性和Janus纳米火箭在稀释的血清溶液（2%wt/V）中运动的静止视频帧图，在血清中运行的这些设备中观察到的气泡生成增加影响了它们的运动持续性；然而，与全活性纳米火箭相比，Janus火箭仍然显示出更好的方向性。研究的基于丝素蛋白/过氧化氢酶的纳米火箭由于生物污染而没有任何显著的反应速度抑制。自移动材料的主要新兴应用之一是辅助生物分析的芯片实验室检测，生物污染源（潜在破坏性添加剂）的消除代表着一个重大的进步。
结论
运用RIJ喷墨打印方法，展示了一种基于丝素蛋白、过氧化氢酶和PEG交替形成的酶动力丝材纳米火箭的新方法，该结构允许催化剂的分布随意变化，与活性均匀的火箭相比，催化剂分布不对称的火箭由于随机气泡的释放，产生更快的定向运动，由于大量的材料（如药物、酶和抗体）可以封装在纳米火箭中，对于环境监测和修复，体内药物输送和修复，芯片诊断等方面都有着广泛应用潜力。
资料来源：[1] Gregory D A , Zhang Y , Smith P J , et al. Reactive Inkjet Printing of Biocompatible Enzyme Powered Silk Micro‐Rockets[J]. Small, 2016.